Wpływ zastosowania gazu ziemnego na parametry ekologiczne wybranych środków transportu

Politechnika Poznańska Wydział Maszyn Roboczych i Transportu mgr inż. Michał Dobrzyński Wpływ zastosowania gazu ziemnego na parametry ekologiczne wybranych środków transportu Rozprawa doktorska Promotor: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz Poznań 2015

SPIS TREŚCI STRESZCZENIE... 3 SKRÓTY I OZNACZENIA... 4 1. WSTĘP... 6 1.1. Wprowadzenie... 6 1.2. Cel i zakres pracy... 12 2. PALIWA ALTERNATYWNE STOSOWANE W POJAZDACH... 14 2.1. Ciekłe paliwa alternatywne... 14 2.1.1. Wprowadzenie... 14 2.1.2. Zasilanie silników RME... 16 2.1.3. Zasilanie silników bioetanolem... 20 2.2. Gazowe paliwa alternatywne... 23 2.2.1. Wprowadzenie... 23 2.2.2. Zasilanie silników gazem ziemnym... 25 2.2.3. Zasilanie silników biogazem... 35 3. ANALIZA SYSTEMÓW NAPĘDOWYCH ZASILANYCH PALIWAMI GAZOWYMI... 37 3.1. Uwagi ogólne... 37 3.2. Rozwiązania przeznaczone dla pojazdów kategorii PC i HDV... 41 3.3. Rozwiązania przeznaczone dla pojazdów komunikacji miejskiej... 49 4. METODY BADAŃ EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Z AUTOBUSÓW MIEJSKICH... 54 4.1. Badania homologacyjne... 54 4.2. Badania w testach jezdnych... 59 5. METODYKA BADAŃ WŁASNYCH... 70 5.1. Harmonogram badań... 70 5.2. Obiekty badań... 71 5.3. Zastosowana aparatura badawcza... 73 6. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA... 75 6.1. Badania w testach SORT... 75 6.1.1. Cykl jezdny SORT 1... 75 6.1.2. Cykl jezdny SORT 2... 80 6.1.3. Cykl jezdny SORT 3... 84 6.2. Badania w rzeczywistych warunkach ruchu... 89 6.2.1. Trasa miejska 1... 89 6.2.2. Trasa miejska 2... 94 6.3. Porównanie parametrów ekonomicznych w zakresie eksploatacji badanych rozwiązań autobusów... 99 7. WNIOSKI I KIERUNKI DALSZYCH BADAŃ... 103 7.1. Podsumowanie... 103 7.2. Ważniejsze wnioski z badań własnych... 104 7.3. Proponowane kierunki dalszych badań... 105 LITERATURA... 106 SUMMARY... 110 2

STRESZCZENIE W Polsce oraz na terenie Unii Europejskiej, szczególnie w krajach skandynawskich, odnotowuje się regularny, znaczący wzrost liczby pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym, które są wykorzystywane w komunikacji zbiorowej. Konieczne zatem staje się dokonanie oceny wskaźników ekologicznych tej grupy pojazdów i porównanie ich z powszechnie stosowanymi rozwiązaniami konwencjonalnymi. Dodatkowym argumentem za podjęciem takich działań są nowe możliwości poznawcze, wynikające z realizacji badań emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdów. Wymienione fakty stały się podstawą do realizacji przedstawionej pracy doktorskiej, której głównym celem jest ocena wpływu zastosowania gazu ziemnego na ekologiczne parametry wybranych środków transportu. Na początku pracy zaprezentowano spis skrótów oraz oznaczeń wykorzystywanych w rozprawie. Praca podzielona jest na siedem rozdziałów i zawiera łącznie 111 stron. Wprowadzenie przedstawia opis zagadnień związanych z genezą uzasadniającą podjęcie się zrealizowania pracy, oraz zdefiniowano cel pracy i podstawowe pytania badawcze. W drugim rozdziale opisano aktualnie stosowane paliwa niekonwencjonalnych do zasilania silników spalinowych wykorzystywanych do napędów pojazdów. W pracy zawarto szczegółowy opis poszczególnych paliw alternatywnych, przy czym zwrócono szczególną uwagę na ich parametry ekologiczne. Kolejny rozdział poświęcono analizie systemów napędowych przystosowanych do zasilania paliwami gazowymi. Poprzez prezentację aktualnych rozwiązań konstrukcyjnych oraz ich aspektów eksploatacyjnych scharakteryzowano poszczególne kategorie pojazdów, dla których możliwe jest stosowanie niekonwencjonalnego paliwa. Treść następnego rozdziału opisuje badania stosowane w testach drogowych oraz ich praktyczne zastosowanie niezależnie od zastosowanego źródła napędu. Po przeanalizowaniu sytuacji dotyczącej aspektów ekologicznych i tendencji rozwoju współczesnych środków transportu przybliżono przebieg wykonywanych cykli jezdnych, sprecyzowano warunki odwzorowujące rzeczywistą eksploatacje dla pojazdów komunikacji miejskiej oraz określono wymaganą liczbę przeprowadzonych prób pomiarowych. Zaprezentowano obiekty badań, którymi były autobusy komunikacji miejskiej zasilanych ON i CNG. Dokonane pomiary emisji zanieczyszczeń zrealizowano przy wykorzystaniu mobilnej aparatury, opisano użytą metodę oraz zakres pomiarów związków gazowych. Kolejny rozdział poświęcony został prezentacji i analizie wyników badań. Przedstawiono uzyskane rezultaty z przeprowadzonych cykli pomiarowych dla testów jezdnych typu SORT oraz na trasach miejskich. Wyznaczono charakterystyki gęstości czasowych pracy pojazdów, udział czasu pracy silników spalinowych oraz charakterystyki emisyjne. Uzyskane wyniki pozwoliły na określenie wskaźników emisyjności związków toksycznych spalin. Zaprezentowane w pracy wnioski z przeprowadzonych badań odniesiono do ekologicznych jak i również ekonomicznych aspektów eksploatacji pojazdów z wykorzystaniem sprężonego gazu ziemnego. Powstałe analizy posiadają uniwersalny charakter stwarzając tym samym możliwość aplikacyjnego zastosowania dla transportu drogowego. 3

SKRÓTY I OZNACZENIA AFV Alternative Fuel Vehicle pojazd zasilany paliwem alternatywnym CNG Compressed Natural Gas sprężony gaz ziemny CO tlenek węgla CO 2 dwutlenek węgla CVS Constant Volume Sample stała objętość próbki (układ rozcieńczający spaliny powietrzem o stałym natężeniu przepływu) DMC dopuszczalna masa całkowita DPF Diesel Particulate Filter filtr cząstek stałych ECE Economic Commission for Europe Europejska Komisja Gospodarcza EEC European Economic Community Europejska Wspólnota Gospodarcza EEV Enhanced Environmentally Friendly Vehicle pojazd przyjazny środowisku EGR Exhaust Gas Recirculation recyrkulacja spalin ELR European Load Response europejski test obciążenia EOBD European On Board Diagnostic europejski system diagnostyki pokładowej ESC European Stationary Cycle europejski test statyczny ETC European Transient Cycle europejski test dynamiczny EU European Union Unia Europejska Euro normy emisji spalin w Europie FAME Fatty Acid Methyl Esters estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych FC Fuel Consumption zużycie paliwa HC węglowodory HDD Heavy-Duty Diesel silnik ZS do ciężkich zastosowań HDE Heavy-Duty Engines silniki do ciężkich zastosowań HDV Heavy-Duty Vehicle pojazd ciężarowy LNG Liquefied Natural Gas skroplony gaz ziemny LPG Liquefied Petroleum Gas gaz płynny propan-butan NG Natural Gas gaz ziemny NO tlenek azotu NO 2 dwutlenek azotu NO x tlenki azotu OBD On Board Diagnostics diagnostyka pokładowa (pokładowy system diagnostyczny) OECD Organization for Economic Co-operation and Development Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju PEMS Portable Emission Measurement System urządzenie do pomiarów mobilnych emisji spalin PM Particulate Matter cząstki stałe ppm parts per million liczba części na milion RDE Real Driving Emissions emisja w rzeczywistych warunkach jazdy 4

RME Rapeseed Methyl Esters estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego SCR Selective Catalytic Reduction selektywna redukcja katalityczna SORT Standarised On-Road Tests test jezdny dla autobusów miejskich THC Total Hydrocarbons całkowita (sumaryczna) emisja węglowodorów UITP International Association of Public Transport Międzynarodowe Stowarzyszenie Transportu Publicznego ZI zapłon iskrowy ZS zapłon samoczynny 5

1. WSTĘP 1.1. Wprowadzenie Kryzys energetyczny w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku, wywołany dwukrotną dużą podwyżką cen ropy naftowej (w 1973 i 1979 r.) uzmysłowił światu możliwość poważnego ograniczenia w przyszłości dostępu do tego głównego surowca energetycznego, szczególnie w państwach wysoko uprzemysłowionych. Jest to problem istotny zarówno w aspekcie powtarzających się prób politycznego wykorzystywania ropy naftowej przez państwa ją wydobywające, jak i szacunków oraz prognoz dotyczących zasobów źródeł ropy naftowej. Stąd też w środowisku motoryzacyjnym zaznaczyły się wyraźnie dwa główne kierunki działań prowadzące do oszczędzania paliw pochodzących z ropy naftowej: wprowadzanie do użytku silników spalinowych o zwiększonej sprawności i ekonomiczna ich eksploatacja oraz intensyfikacja prac badawczych nad wdrażaniem paliw alternatywnych. Dodatkowym wymogiem jest konieczność ograniczenia szkodliwych składników spalin, które chociaż stanowią zaledwie około 1,4% produktów spalania, to wskutek znaczącego udziału motoryzacji w zanieczyszczaniu środowiska wpływają na jego degradację [53]. Obecnie coraz częściej uważa się, że istnieje większe niebezpieczeństwo skażenia środowiska naturalnego, niż możliwość wyczerpania się zasobów paliwowych [38]. Stąd kraje uczestniczące w 1992 r. w Rio de Janeiro w Światowym Szczycie Ekologicznym Ziemia 2000 zobowiązały się m.in. do zredukowania o połowę emisji CO 2 (do roku 2050) w porównaniu ze stanem z 1987 r. Największa redukcja emisji CO 2 ma objąć kraje uprzemysłowione, w tym Polskę. Zmniejszenie emisji CO 2 i pozostałych szkodliwych produktów spalania do atmosfery może być osiągnięte poprzez zmniejszenie udziału paliw kopalnych w bilansie energetycznym danego kraju. Związane to może być m.in. z substytucją paliw konwencjonalnych innego rodzaju paliwami i nowymi, czystymi nośnikami energii, w tym z wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych. Cechą wspólną odnawialnych źródeł jest to, że obecne ich wykorzystanie nie ma wpływu na ich potencjał energetyczny w przyszłości. Zaistniały w ubiegłym wieku kryzys energetyczny, który spowodował skokowy wzrost najpierw ceny ropy naftowej, a następnie wszystkich innych paliw oraz względy ochrony środowiska naturalnego zwiększyły zainteresowanie środowiska motoryzacyjnego nowymi, alternatywnymi źródłami i technologiami wytwarzania energii (rys. 1.1). Źródła energii w pojazdach można podzielić na: odnawialne, nieodnawialne. Energia konwencjonalna jest to energia wykorzystująca nieodnawialne źródła energii np.: węgiel kamienny, węgiel brunatny, gaz ziemny, ropę naftową. Powstaje ona na skutek wielu złożonych procesów obejmujących wydobycie surowca, przeróbkę i jego wykorzystanie na cele energetyczne. Energia niekonwencjonalna natomiast jest to energia wykorzystująca odnawialne źródła energii, np.: wiatr, wodę, słońce, biomasę, biogaz. Określenie granicy między pojęciami napędu konwencjonalnego i alternatywnego 6

jest kwestią umowną (rys. 1.2). Uznanie napędu za alternatywny wiąże się przede wszystkim z zastosowaniem odmiennego źródła energii niż benzyna i olej napędowy. Źródła nieodnawialne Źródła odnawialne Ropa, gaz, węgiel Energia jądrowa Wiatr, woda, słońce Biomasa Energia elektryczna + Woda Wytwarzanie wodoru ogniwo paliwowe Benzyna, olej napędowy LPG LNG CNG Metanol Wodór gazowy ciekły H 2 H 2 Energia z akumulatora Biopaliwa Rys. 1.1. Alternatywne źródła napędów pojazdów samochodowych [58] Wydaje się również, że innym, głównym kryterium podziału powinno być rozpowszechnienie danego typu napędu na określonym obszarze. Idąc tym tropem można więc zauważyć, że w XIX wieku silnik spalinowy był w Europie alternatywnym źródłem napędu w stosunku do dominującego wówczas silnika parowego, podczas gdy np. w Indiach silnik parowy był alternatywą dla siły pociągowej zwierząt. Z kolei obecnie silnik o zapłonie iskrowym zasilany gazem płynnym LPG (Liquefied Petroleum Gas) trudno zaliczyć w Polsce do napędów typowo alternatywnych, biorąc pod uwagę liczbę pojazdów wyposażonych w naszym kraju w instalację LPG. Wykorzystywanie prawie wszystkich alternatywnych źródeł energii, stanowiących substytut w stosunku do źródeł konwencjonalnych, jest związane z minimalnym bądź nawet żadnym wpływem na środowisko, jednakże tylko niektóre z nich są stosowane do napędu pojazdów. Ograniczenia w ich stosowaniu mogą być następującego rodzaju [52]: technologicznego ze względu na postać ich występowania i możliwości praktycznego wykorzystania, ekonomicznego związane z dużymi kosztami ich stosowania, politycznego lub prawnego. Perspektywy wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz obawy o stan środowiska naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii w latach dziewięćdziesiątych XX wieku i w konsekwencji doprowadziły do znacznego wzrostu ich zastosowań w wielu krajach świata. Po podpisaniu Protokołu z Kioto w grudniu 1997 r., dotyczącego przeciwdziałania ociepleniu klimatu, odnawialne źródła energii weszły w nowy i ważny etap rozwoju. Obecnie technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że mogą z powodzeniem konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. 7

Rozwój motoryzacji pod koniec XX i na początku XXI wieku wykazał, że postęp techniczny w dziedzinie pojazdów użytkowych (w tym samochodów ciężarowych i autobusów) jest szybszy i bardziej widoczny niż w samochodach osobowych. Doskonalenie konstrukcji pojazdów, zwiększenie ich zdolności przewozowych i uniwersalności, prowadzą do tego, że zachowają one dominującą rolę w transporcie również w bardziej odległej przyszłości. Ropa naftowa Olej łupkowy Benzyna olej lekki LPG ZI, ZS, LPG Hybrydowy Węgiel Gaz naturalny Biomasa Paliwo nuklearne Metanol Etanol CNG/LNG Wodór Silnik spalinowy Zas. metanolem Zas. etanolem CNG/LNG Wodorowy Turbina gazowa Energia wodna Energia wiatru Energia geoterm. Ciepło słoneczne Światło słoneczne Moc elektryczna Akumulator Ogniwo słoneczne Silnik elektr. Ogniwo pal. Elektryczny Słoneczny Rys. 1.2. Powiązania pierwotnych źródeł energii i możliwości ich zastosowania w pojazdach [58] Dalszy rozwój tych pojazdów z pewnością uwzględniać będzie następujące postulaty: ograniczenie szkodliwego oddziaływania na środowisko (spaliny, hałas), automatyzacja prowadzenia samochodu, zwiększanie skuteczności układów bezpieczeństwa czynnego (zapobieganie wypadkom drogowym) i systemów ochrony jadących oraz pieszych, zwiększanie wydajności transportu poprzez wzrost mobilności pojazdów, doskonalenie technologii przewozu oraz załadunku i wyładunku, wraz z automatyzacją standardowych czynności wykonywanych przez kierowcę. Spełnianie tych postulatów prowadzi do sprostania rosnącym wymaganiom nabywców/użytkowników, a potwierdzeniem tego jest coraz większa liczba pojazdów na drogach. Podstawowym czynnikiem prowadzącym do rozwoju techniki i technologii we wszystkich dziedzinach przemysłu jest konieczność ograniczania jego negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Stosowanie zaawansowanych technologii i ich rozwój 8

zmusza do ciągłego poszukiwania rozwiązań poprawiających wskaźniki pracy silników oraz niwelowania niekorzystnych skutków ich oddziaływania na otoczenie człowieka. Transport jest zaliczany do bardzo dynamicznie zmieniającej się dziedziny przede wszystkim ze względu na ograniczanie emisji szkodliwych składników spalin. W dalszym ciągu poważnym zagrożeniem jest emisja związków szkodliwych w spalinach (związków gazowych, a w szczególności tlenków azotu), dwutlenku węgla (będącego miarą zużycia paliwa) oraz cząstek stałych stanowiących barierę rozwoju współczesnych silników spalinowych w szczególności silników o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Wymagania w zakresie emisji zanieczyszczeń spalin pojazdów są ustalone przez dwa rodzaje przepisów: dotyczących homologacji typu (pojazdy produkowane w kraju lub sprowadzone z zagranicy w liczbie większej niż jeden egzemplarz danego typu pojazdu rocznie za spełnienie tych wymagań jest odpowiedzialny producent pojazdu), zwanych przepisami homologacyjnymi, dotyczących warunków technicznych pojazdów w eksploatacji (za spełnienie wymagań odpowiedzialny jest właściciel lub użytkownik pojazdu) zwanych przepisami dla pojazdów w eksploatacji (także pojazdów nie podlegających obowiązkowi homologacji pojazdy produkowane w kraju lub sprowadzone z zagranicy w liczbie jednego egzemplarza danego typu pojazdu rocznie). Przewiduje się, że w najbliższych latach dominująca pozycja silnika spalinowego wśród napędów pojazdów będzie nadal utrzymana. Liczne zalety silników o zapłonie samoczynnym sprawiły, że są one wyłącznym źródłem napędu pojazdów typu HDV (Heavy Duty Vehicle), w tym autobusów miejskich. Niestety tylko duże przedsiębiorstwa mogą podołać kosztom badań i rozwoju nowych konstrukcji, zgodnie z wysokimi wymaganiami legislacyjnymi obowiązującymi obecnie w zakresie budowy i eksploatacji autobusów. W niektórych krajach politycy żądają jeszcze czystszych pojazdów. Trolejbusy są nadal szeroko użytkowane w wielu krajach Europy Środkowej i Wschodniej, a także we Włoszech. Popularną alternatywą jest sprężony gaz ziemny, charakteryzujący się mniejszą emisją w porównaniu do silników zasilanych olejem napędowym. Problemem jest tu jednak konieczność przewożenia tego typu paliwa w dużych zbiornikach umieszczonych na dachu autobusu, co zwiększa o około 1 tonę masę własną i tym samym ogranicza dopuszczalną liczbę pasażerów. W Sztokholmie natomiast wiele autobusów jest zasilanych etanolem. Emisja substancji szkodliwych jest bardzo mała, ale zbiorniki paliwa dla uzyskania takiego samego przebiegu muszą być o 60 70% większe niż w autobusach z silnikami ZS. Ponadto produkcja etanolu wymaga zużycia dużej ilości energii, może on być jednak wytwarzany z dala od aglomeracji miejskich. Do wad etanolu należy też jego agresywność korozyjna. Podstawowym współczesnym źródłem energii służącym do zasilania pojazdów samochodowych są paliwa produkowane na bazie ropy naftowej benzyna i olej napędowy. Szacuje się, że popyt na ropę przez kraje OECD (Organisation for Economic Cooperation and Development Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju) osiągnie maksimum za około 10 lat. W pozostałych krajach wzrost ten będzie trwać do co najmniej 2030 r. (zakres prognoz), ze względu na znacznie większy 9

przyrost liczby pojazdów. Średnioroczny wzrost zużycia ropy naftowej przez te kraje będzie kształtował się na poziomie 2,5%. Prognozowany popyt na paliwa konwencjonalne przez kraje spoza OECD w 2030 r. przewyższy popyt krajów Organizacji. Najwięcej paliwa wśród środków transportowych zużywają pojazdy typu LDV (Light Duty Vehicle). W krajach Ameryki Północnej i Europy można obserwować pewne nasycenie rynku samochodowego mały wzrost liczby pojazdów, natomiast w krajach rozwijających się wzrost ten jest prawie czterokrotnie większy [38]. Biorąc powyższe pod uwagę stwierdzić można, że paliwa konwencjonalne w przyszłości zależnie od prognoz muszą być zastąpione innymi. Z jednej strony szkodliwość dla środowiska, a z drugiej ograniczone zasoby, spowodowały konieczność poszukiwania różnego rodzaju paliw alternatywnych (rys. 1.3). Implementacja poszczególnych rozwiązań technicznych w pojazdach jest ściśle związana z zastosowanym paliwem. Za mające największe szanse na szersze zastosowanie paliwa alternatywne należy uznać obecnie gaz ziemny oraz biopaliwa: alkohol etylowy i estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych. Rys. 1.3. Emisja gazów cieplarnianych z różnych źródeł pozyskiwania energii [19] Możliwości zastąpienia silnika spalinowego napędzanego benzyną czy też olejem napędowym są poszukiwane od początków motoryzacji. Oprócz możliwości wyczerpania się w przyszłości zasobów tych paliw kopalnych, działania nad poszukiwaniem ich substytutów potęgują także kolejne wprowadzane przepisy dotyczące emisji spalin, które stają się coraz trudniejsze do zrealizowania. Producenci samochodów są zobowiązani 10

również do znaczącego zmniejszenia emisji CO 2 przez swoje pojazdy. Wtrysk bezpośredni paliwa i nowocześniejsze rozwiązania konstrukcyjne silników zwiększają szanse silnika spalinowego, i postrzeganie go jako wciąż aktualnego napędu przeznaczonego dla pojazdów. Nie oznacza to jednak, że ustaną prace nad racjonalnymi rozwiązaniami napędów alternatywnych dla pojazdów, w tym zasilanych innych rodzajem paliw niż paliwa na bazie ropy naftowej. Inne, alternatywne paliwa w stosunku do benzyn i olejów napędowych mają jednak istotne ograniczenia. Przykładowo skroplone paliwo gazowe LPG, mimo dość powszechnego wykorzystywania, stanowi produkt pochodny ropy naftowej i podobnie jak gaz ziemny ma ograniczone zasoby. Oba paliwa są spalane w sposób nieodwracalny, a więc ich zasoby będą się nieustannie zmniejszać. Paliwa uzyskiwane z przetwarzania produktów biologicznych (np. alkohol etylowy i biologiczny olej napędowy tzw. biodiesel) są tańsze w eksploatacji, lecz ich produkcja jest ograniczona powierzchnią możliwych upraw biomasy. Trudno więc reprezentować pogląd, że w całości będą w stanie zastąpić podstawowe źródło energii, jakim jest ropa naftowa. Duża różnorodność napędów alternatywnych powoduje konieczność wyjaśnienia podstawowych terminów spotykanych w literaturze. Pojazdy zasilane paliwami niekonwencjonalnymi/alternatywnymi (AFV Alternative Fuel Vehicle) to pojazdy typu dedicated, bi-fuel, dual fuel oraz flex fuel, przeznaczone do zasilania co najmniej jednym z paliw alternatywnych, a w szczególności [38]: dedicated pojazdy zasilane jednopaliwowo; mają mniejsze wskaźniki emisji, gdyż parametry pracy silnika są optymalizowane pod kątem jednego rodzaju paliwa, bi-fuel pojazdy mające dwa zbiorniki paliwa (benzynowy albo z olejem napędowym) zależnie od typu zbiornik na propan-butan lub gaz ziemny; rodzaj zasilania jest zmieniany, np. przez operatora, dual fuel pojazdy, które używają kombinacji paliw alternatywnych a także konwencjonalnych; zalicza się do nich pojazdy zasilane benzyną lub olejem napędowym i paliwem alternatywnym, flex fuel pojazdy, które mogą być zasilane benzyną lub zależnie od typu pojazdu metanolem (M85) albo etanolem (E85); pojazdy te mają jeden zbiornik, w którym paliwa te mogą być mieszane ze sobą. Przedstawione wcześniej zagadnienia dowodzą, że w XXI wieku jednymi z najpoważniejszych są problemy w sferze energetycznej i ekologicznej. Przemysł motoryzacyjny i transport są obecnie jednym z najpoważniejszych źródeł zanieczyszczeń środowiska naturalnego. Dlatego od wielu lat trwają intensywne prace, mające na celu zminimalizowanie ich oddziaływania na środowisko. W rozwoju współczesnych silników spalinowych stosowanych w różnego rodzaju pojazdach na pierwsze miejsce wysunęły się kwestie związane z ochroną klimatu ziemskiego. Mała emisja związków szkodliwych spalin i ograniczenie zużycia paliwa są podstawowym kryterium wyznaczającym kierunki rozwoju jednostek napędowych. Odpowiedzią na pogarszający się stan środowiska naturalnego człowieka jest wprowadzanie coraz bardziej rygorystycznych norm ustalających dopuszczalne wartości emisji związków 11

szkodliwych (w tym toksycznych) z silników spalinowych. Postęp sprawia, że krajach wysokorozwiniętych każdego roku rozszerzane są strefy rozgraniczające ruch pojazdów w centrach aglomeracji miejskich. Plany na najbliższe lata zakładają, że ruch pojazdów osobowych napędzanych silnikami spalinowymi w ścisłych centrach miast pozostanie całkowicie wyeliminowany i odbywać się w nich głównie ruch jednośladów, autobusów oraz tramwajów. Wykorzystanie paliw alternatywnych do zasilania pojazdów stanowi istotny problem, który jest podejmowany i rozwijany przez szereg instytucji naukowych i ośrodków badawczych. W pracy przedstawiono najważniejsze zagadnienia związane z charakterystyką i wykorzystaniem paliw alternatywnych, w celu określenia możliwości ich zastosowania w pojazdach. Przeprowadzone rozważania wskazują, że największe możliwości aplikacyjne posiada gaz ziemny, w związku z czym dalsza część pracy dotyczy tego zagadnienia. W celu uzupełnienia wiadomości z zakresu aktualnego stanu wiedzy wykorzystania CNG w pojazdach przeprowadzono szczegółową analizę najnowszych systemów napędowych wykorzystujących paliwa gazowe uwzględniono rozwiązania przeznaczone dla samochodów kategorii PC i HDV, w tym autobusów miejskich. Jako uzupełnienie pracy i rozwinięcie podjętej tematyki przedstawiono metody badań emisji zanieczyszczeń z autobusów miejskich. Zestawiono najważniejsze informacje dotyczące badań homologacyjnych oraz metod pomiarowych wykorzystywanych m.in. przez przedsiębiorstwa komunikacji miejskich. Zważywszy na aktualne tendencje ukierunkowane na coraz większe rozpowszechnianie i wykorzystywanie transportu aglomeracyjnego zasadne staje się wykorzystywanie alternatywnych źródeł zasilania jednostek napędowych. Stale rosnąca liczba autobusów miejskich zasilanych CNG wymusza podjęcie problemu zbadania emisji z tych pojazdów. Narzędziem podstawowym do rozwiązania ww. zagadnienia jest poznanie i analiza związków przyczynowo skutkowych emisji związków toksycznych w określonych stanach pracy silnika. Działania mające na celu ograniczenie emisji związków toksycznych spalin z eksploatowanych silników pojazdów użytkowych (w tym autobusów miejskich będących przedmiotem niniejszej pracy) są jednym z nowych, coraz bardziej istotnych kierunków determinujących rozwój tych silników. Problematyka pracy jest zatem aktualna i ma szerokie znaczenie praktyczne. 1.2. Cel i zakres pracy Celem pracy była ocena wpływu zastosowania CNG do zasilania pojazdów transportu miejskiego na emisję związków szkodliwych spalin. Spośród paliw możliwych do zasilania pojazdów transportu miejskiego wybrano gaz ziemny. Głównym kryterium branym pod uwagę podczas doboru paliwa do badań jest potencjał wykorzystania tego paliwa do zasilania autobusów miejskich. Jako narzędzie badawcze użyta zostanie najnowsza aparatura badawcza umożliwiająca ocenę parametrów ekologicznych eksploatacji pojazdów w warunkach dynamicznych, podczas rzeczywistej eksploatacji. Porównane będą parametry ekologiczne za pomocą charakterystyk gęstości czasowych otrzymanych na podstawie badań w ruchu miejskim oraz prób wykonywanych na pojeździe w testach jezdnych. W 12

rozprawie, analizie poddane zostaną wyniki badań emisji związków gazowych oraz emisji drogowej. Efektem pracy będzie wyznaczenie wskaźników ekologicznych. Pytania badawcze: jaki wpływ ma zastosowanie sprężonego gazu ziemnego na parametry ekologiczne autobusu miejskiego w rzeczywistych warunkach eksploatacji? czy uzasadniona jest ekonomicznie eksploatacja autobusu miejskiego zasilanego sprężonym gazem ziemnym przez przedsiębiorstwa komunikacji miejskiej? Cel pracy należy uznać za osiągnięty, gdy uzyska się odpowiedź na postawione pytania badawcze. Jako podstawowe kryterium oceny należy przyjąć wartości parametrów eksploatacyjnych podczas rzeczywistych warunków ruchu pojazdów. Wartości tych parametrów w porównaniu z odpowiadającymi im stężeniom związków szkodliwych w gazach wylotowych, uzyskanymi podczas przejazdów pozwolą określić kierunek poprawy emisyjności pojazdów. Do realizacji celu pracy przyjęto harmonogram wykonania poszczególnych zadań. Cząstkowe zadania badawcze: wyznaczenie parametrów ekologicznych napędów autobusów miejskich zasilanych paliwem konwencjonalnym oraz gazem ziemnym w warunkach symulowanych testów drogowych SORT, wyznaczenie parametrów ekologicznych układów napędowych autobusów miejskich zasilanych paliwem konwencjonalnym i CNG warunkach rzeczywistej eksploatacji, porównanie układów napędowych autobusów miejskich zasilanych paliwem konwencjonalnym oraz gazem ziemnym w warunkach rzeczywistej eksploatacji, porównanie układów napędowych autobusów miejskich zasilanych paliwem konwencjonalnym oraz gazem ziemnym pod względem zużycia paliwa. 13

2. PALIWA ALTERNATYWNE STOSOWANE W POJAZDACH 2.1. Ciekłe paliwa alternatywne 2.1.1. Wprowadzenie W ostatnich latach dużą uwagę przywiązuje się do zmniejszania negatywnego oddziaływania motoryzacji na środowisko naturalne człowieka. Szczególnie istotne znaczenie ma w tym względzie emisja związków toksycznych z pojazdów poruszających się po centrach zatłoczonych miast, gdzie w bliskim otoczeniu pojazdów porusza się duża liczba pieszych i rowerzystów. Pojazdami tego typu są z pewnością autobusy miejskie. Obecnie dość dynamicznie rozwijającym się kierunkiem zmniejszania emisji związków toksycznych z tego rodzaju pojazdów jest stosowanie paliw alternatywnych, w tym paliw ciekłych. Istotą dyskusji o stosowaniu paliw alternatywnych są problemy ochrony środowiska naturalnego i aspekt, że są to paliwa odnawialne. Już od wielu lat istnieje na świecie zwiększone zainteresowanie zagadnieniami zasilania silników spalinowych o zapłonie samoczynnym olejami roślinnymi, do których można zaliczyć: olej rzepakowy, słonecznikowy, sojowy, palmowy i ich estry. Jest oczywiste, że o wyborze rodzaju oleju roślinnego do zasilania silników decyduje strefa klimatyczna, w której znajduje się uprawa danej rośliny oleistej. Przykładowo w Europie Środkowej są w tym względzie prowadzone uprawy rzepaku, w Hiszpanii słonecznika, w USA soi, w Malezji palm kokosowych. Rożnego rodzaju oleje roślinne są bardzo atrakcyjne jako paliwo alternatywne dla silników ZS z uwagi na zamknięty obieg dwutlenku węgla w atmosferze i związane z tym ograniczenie efektu cieplarnianego (rys. 2.1). Zastosowanie paliw pochodzenia roślinnego w czystej postaci lub ich mieszanin z olejem napędowym otwiera nowe możliwości gospodarcze w wielu europejskich regionach agrokultur i nowe rynki zbytu. Obieg idealny CO 2 roślinny Silnik Olej roślinny Biomasa Alkohol Słońce CO 2 roślinny Emisja antropogeniczna CO 2 ze spalania węgla Obieg rzeczywisty CO 2 roślinny Silnik Olej roślinny Biomasa Alkohol Słońce CO 2 roślinny Energia włożona np. węgiel Rys. 2.1. Obieg węgla przy zastosowaniu paliw odnawialnych [47] 14

Z punktu widzenia ekonomii korzystne jest skierowanie nadprodukcji roślin oleistych do przemysłu wytwarzającego alternatywne roślinne paliwa silnikowe. Dokonując ekonomicznej analizy zastosowania paliw roślinnych, nie można pominąć zagadnienia szeroko rozumianej polityki gospodarczej, a mianowicie zagospodarowania niewykorzystanych użytków rolnych i na wyeksploatowanych terenach powstałych w następstwie działalności górniczej, produkcji roślin oleistych w przypadku nadprodukcji innych płodów rolnych w niektórych rejonach, stworzenia nowych miejsc pracy w przemyśle produkcyjnym i dystrybucji paliw roślinnych. W przypadku alternatywnych paliw roślinnych z punktu widzenia ekologii korzystne jest to, że uprawiane rośliny pobierają z atmosfery CO 2, który przy spalaniu w silniku olejów roślinnych wydzielany jest jako substancja szkodliwa. Podstawowe właściwości fizykochemiczne wybranych olejów roślinnych przedstawiono w tabeli 2.1. Tabela 2.1. Właściwości fizykochemiczne olejów roślinnych [28] Parametr Lepkość kinematyczna w 50 C [mm 2 /s] Olej napędowy Olej sojowy Olej słonecznikowy Olej rzepakowy 3,200 23,099 22,989 25,184 Gęstość [g/cm 2 ] 0,825 0,925 0,923 0,921 Skład elementarny (przeciętnie) udział masowy [%] C 86 77 77 77 H 13 12 12 12 O 1 11 11 11 Temperatura krzepnięcia [ C] 5 16...0 18... 16 12...0 Wartość opałowa [MJ/dm 3 ] 35,3 34,8 Zawartość tłuszczu [%] 18,5 48 41 Ilość oleju z 1 t nasion [kg] 76 467 398 Stosowanie paliw roślinnych w silnikach spalinowych jest możliwe na dwa zasadnicze sposoby [38]: spalanie paliw bez ich przygotowania, dostosowując do tego celu silnik po przez konieczne zmiany konstrukcyjne (olej roślinny wprost po wyprasowaniu i przefiltrowaniu), przystosowanie paliwa np. w drodze estryfikacji (estry oleju roślinnego). Paliwa powstałe na bazie olejów roślinnych, których budowa chemiczna oraz zdolności do samozapłonu posiadają korzystniejsze własności do zasilania silników ZS, w których jakość spalania zależy od procesów tworzenia mieszanki paliwowopowietrznej, a powstawanie sadzy następuje na skutek braku powietrza w bezpośrednim sąsiedztwie paliwa. Oleje roślinne zawierają 9 14% tlenu w kwasach tłuszczowych; jest to główny powód małej emisji sadzy. Dzięki śladowej zawartości siarki w paliwach roślinnych możliwa jest obróbka końcowa spalin za pomocą utleniającego reaktora katalitycznego (zmniejszenie zawartości CO i HC). Kolejną cechą olejów roślinnych (zależną od składu chemicznego 15

Światowa produkcja FAME [mln ton] kwasu tłuszczowego) jest wpływ na emisję tlenków azotu. W przypadku silników ZS emisja NO x jest mniejsza w wyniku spalania estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (RME Rapeseed Methyl Esters) niż oleju napędowego [37]. Niestety znacznym utrudnieniem w zastosowaniu olejów roślinnych jako paliwa jest ich duża lepkość i termiczna niestabilność. Proces chemiczny zwany transestryfikacją powoduję wzrost użyteczności olejów roślinnych przeznaczonych do silników o zapłonie samoczynnym, sprawiając że część ich właściwości jest lepsza niż dla paliw konwencjonalnych. Wadą estrów jest jednak ich agresywność w stosunku do niektórych tworzyw sztucznych. Silniki ZS mogą być zasilane jedynie estrami olejów roślinnych (z powodu skłonności olejów naturalnych do tworzenia nagaru). 2.1.2. Zasilanie silników RME W Unii Europejskim najważniejszym roślinnym paliwem alternatywnym są obecnie estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych FAME (Fatty Acid Methyl Esters), produkowane przede wszystkim w postaci RME (Rapeseed Methyl Esters). Unia jest także największym na świecie producentem tego rodzaju paliwa (rys. 2.2). Przyjmuje się, że skala produkcji i zużycia tego paliwa będzie nadal zwiększać swój udział w rynku, w związku z rosnącym zapotrzebowaniem na paliwa do silników ZS i stabilnym zapotrzebowaniem na benzyny dla silników ZI. W chwili obecnej do konwencjonalnych olejów napędowych dodaje się FAME w udziale do 7%. Szybko zwiększa się też zużycie FAME w czystej postaci. W Polsce spowodowane jest to w znacznym stopniu korzystną ceną, sezonowo o około 20% niższą niż konwencjonalnego oleju napędowego. 27 EU USA Inne Razem 22 17 12 7 2-3 2010 2011 2012 2013 2014 Rys. 2.2. Światowa produkcja FAME w latach 2010 2014 [71] Choć zastosowanie paliw odnawialnych, a w szczególności biopaliw płynnych ma na celu przede wszystkim ochronę zasobów naturalnych, zmniejszenie emisji CO 2 i 16

uniezależnienie się od paliw kopalnych, to ich stosowanie wpływa także korzystnie na poziom toksyczności spalin, a więc i zanieczyszczenie powietrza. Zastosowanie FAME jako paliwa w czystej postaci lub dodatku w istotny sposób wpływa na toksyczność spalin silnika ZS. W literaturze dostępnych jest wiele prac poświęconych temu zagadnieniu [9, 10, 14, 16, 18, 27, 42, 53]. Lauperta na podstawie podjętej z naukowcami współpracy oraz po przeprowadzeniu analizy blisko 160 prac badawczych [26] z tego zakresu stwierdził, że zastosowanie FAME powoduje najczęściej: zmniejszenie emisji CO, HC i PM oraz wzrost emisji NO x (rys. 2.3). Udział w opublikowanych pracach [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Zmniejszenie Bez zmian Zwiększenie Równowaga CO HC NOx PM Rys. 2.3. Opisane w literaturze trendy zmian emisji składników toksycznych przy zastosowaniu FAME jako paliwa do silników ZS [26] Rzepak przeznaczany na paliwo RME ma znaczny udział procentowy w całkowitej produkcji wśród dziesięciu podstawowych roślin oleistych uprawianych na świecie. Wykorzystanie olejów roślinnych lub ich pochodnych jest związane przede wszystkim z ochroną środowiska naturalnego. Jednym z korzystnych aspektów jest to, że pochodne kwasów tłuszczowych ulegają w środowisku naturalnym szybkiej biodegradacji w przeciwieństwie do produktów pochodzenia naftowego. Szczególnie interesującym kierunkiem jest stosowanie właśnie estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego jako paliwa. Obecnie istnieją dwie podstawowe technologie produkcji biopaliw na bazie nasion roślin oleistych [38]: tzw. zimna, w której proces otrzymywania biopaliwa jest prowadzony w temperaturze 20 70 C, pod standardowym ciśnieniem z użyciem katalizatorów alkalicznych, tzw. gorąca, która wymaga prowadzenia reakcji transestryfikacji w temperaturze 240 C i pod ciśnieniem 10 MPa (wymaga dostępu do źródła taniej energii cieplnej oraz dużej ilości metanolu). Technologia gorąca może być realizowana w istniejących zakładach chemicznych (tłuszczowych). 17

Pełny proces technologiczny przerobu rzepaku na biopaliwo obejmuje [38]: wytłaczanie tzw. zimne oleju z nasion rzepaku za pomocą prasy ślimakowej; uzyskuje się olej i wytłoki (śrutę paszową); olej poddawany jest filtracji i kierowany do zbiornika, śruta paszowa jest składowana i wykorzystywana na cele paszowe, reestryfikację oleju rzepakowego, która przebiega w temperaturze 600 o C pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym; do podgrzanego oleju rzepakowego wprowadza się przygotowaną uprzednio mieszaninę katalityczną powstałą z rozpuszczenia w alkoholu metylowym wodorotlenku potasu, oczyszczanie frakcję estrową poddaje się oczyszczeniu w celu oddzielenia z niej mydeł, fosfolipidów, barwników i resztek wody, w temperaturze 700 o C pod normalnym ciśnieniem, filtrację oczyszczoną mieszaninę estrów poddaje się filtracji w celu oddzielenia złoża filtrującego. Najważniejsze właściwości fizykochemiczne wytwarzanego w ten sposób paliwa to [38]: gęstość w 15 C 0,885 g/m 3, temperatura zablokowania zimnego filtra 12 C, lepkość kinematyczna w 20 C 7,73 mm 2 /s, zawartość siarki 18 mg/kg, liczba cetanowa 48,2, liczba zasadowa 0,51 mg KOH/g. Dla silnika zasilanego paliwem alternatywnym RME, zawartość rozpuszczalnych, organicznych cząstek stałych jest znacznie mniejsza (około 46% wszystkich cząstek stałych) w porównaniu do zasilania klasycznym olejem napędowym (około 84%). Zmniejszenie to może być wytłumaczone zawartością tlenu w paliwie estrowym (około 10% masy paliwa), która umożliwia lepsze i dokładniejsze wymieszanie paliwa z powietrzem w procesie spalania. Dostępność większej ilości tlenu w paliwie RME powoduje jednak podwyższenie temperatury spalania i tym samym zwiększenie emisji tlenków azotu. Objętościowe zużycie paliwa RME jest o około 9% większe niż w przypadku konwencjonalnego oleju napędowego w związku z jego mniejszą wartością opałową (rys. 2.4). Jednakże moc silnika zasilanego paliwem estrowym może być określana w odniesieniu do mocy silnika zasilanego olejem napędowym, przy uwzględnieniu energii pochodzącej ze spalania paliwa E p, pomnożonej przez stosunek sprawności energetycznych e. Obliczenie to jest uzasadnione tym, że pompy wtryskowe silników spalinowych pracują ze stałą dawką paliwa. Stosunek energii ze spalania paliwa jest obliczany z danych dotyczących gęstości i wartości opałowej według wzoru [26]: E E p, es p, ON 0,9089 (2.1) 18

Rys. 2.4. Porównanie przebiegowego zużycia oleju napędowego i RME [26] Stosunek sprawności energetycznych wyznacza się na podstawie zużycia energii według wzoru [26]: e, es e, ON praca zuzycie energii praca zuzycie energii ester ON zuzycie energii ester zuzycie energii ON 1,0061 (2.2) Moc silnika spalinowego zasilanego paliwem estrowym teoretycznie wynosi więc: 0,9089 1,0061 = 0,9143 mocy silnika zasilanego konwencjonalnym olejem napędowym. Strata mocy na poziomie około 9%, w przypadku zasilania silnika paliwem estrowym, jest spowodowana niezmienną wydajnością pompy wtryskowej. Zwiększony wydatek paliwa RME może być dostarczony do silnika bez wzrostu zadymienia spalin, co wynika z wyraźnego obniżenia ilości nierozpuszczalnych, organicznych frakcji cząstek stałych. Oprócz zalet ekologicznych paliwa RME produkowanego na bazie rzepaku należy zaznaczyć, że rzepak charakteryzuje się relatywnie wysoką wydajnością energetyczną, tzn. stosunek wartości opałowej paliwa rzepakowego do energii włożonej na jego produkcję wynosi 5,4 6,3 w zależności od wydajności biopaliwa z hektara, która kształtuje się od 1 do 1,84 t/ha [38]. Technologia produkcji olejów roślinnych jako paliw do silników ZS wymaga zatem relatywnie małego nakładu energii i, jak zapewniają ich producenci, proces ten nie stwarza zagrożeń dla środowiska naturalnego. Zastosowanie paliwa RME w silniku o zapłonie samoczynnym nie wymaga żadnych zmian w jego regulacji, co wynika z właściwości paliwa i jest czynnikiem sprzyjającym bezpośredniemu wprowadzeniu go do eksploatacji. Badania doświadczalne przeprowadzone na krajowych i zagranicznych jednostkach napędowych potwierdzają, że [28]: moc nominalna i moment obrotowy dla większości silników nie ulegają zmianie wskutek nieco większego zużycia paliwa, rekompensującego spadek wartości opałowej, co świadczy o wyższej sprawności energetycznej procesu spalania szczególnie przy większych obciążeniach, obciążenia mechaniczne i cieplne pozostają na tym samym poziomie, temperatura spalin jest mniejsza o 3 10%, natomiast o 5% wzrasta maksymalne 19

ciśnienia spalania, a także o 25% maksymalne ciśnienie wtrysku, nie ulega zmianie emisja hałasu, maleje przyspieszenie testowanych pojazdów o 3 11%. Korzystne właściwości ekologiczne paliwa RME w porównaniu z konwencjonalnym olejem napędowym to [57]: zmniejszenie emisji SO 2 (niska zawartość siarki 0,001%) i CO 2 w cyklu rocznym, co zmniejsza zjawisko tzw. kwaśnych deszczy i efektu cieplarnianego, spadek zadymienia spalin o 50 80% w stanach ustalonych i dynamicznych, zmniejszenie zawartości CO i HC w spalinach o 40%, spadek zawartości cząstek stałych w spalinach o 10 60%, spadek zawartości w spalinach związków muta- i kancerogennych, brak działania drażniącego i toksycznego na organizm ludzki, biodegradowalność 98,3% w ciągu 21 dni. Paliwa produkowane na bazie rzepaku mieszają się w dowolnych proporcjach z olejem napędowym, zmniejszając jednak swe właściwości ekologiczne (zależy to od konstrukcji silnika, proporcji i technologii paliwa RME w mieszaninie) proporcjonalnie wzrasta zadymienie spalin. Niekorzystne właściwości zaobserwowane w trakcie przeprowadzonych prac badawczych to zwiększona agresywność w stosunku do niektórych gum, lakierów i tworzyw sztucznych. Wyjaśnienia wymaga także utrzymanie czystości układu zasilania różnych typów silników, głównie starej generacji oraz silników mocno wyeksploatowanych przy stosowaniu paliwa rzepakowego według różnych technologii, o różnej skłonności do koksowania oraz stabilności w utrzymywaniu odpowiednich właściwości w trakcie długiego przechowywania. 2.1.3. Zasilanie silników bioetanolem Alternatywne paliwa alkoholowe korzystnie wpływają na obniżenie emisji substancji toksycznych, dzięki dysponowaniu w swoim wiązaniu chemicznym atomów tlenu. Stosowane może odbywać się różnorodnych proporcjach w zależności od docelowych potrzeb wynikających m.in. z zastosowanej jednostki napędowej ZI lub ZS. Optymalny zakres pracy w przypadku silników ZI (współczynnik nadmiaru powietrza) jest trochę przesunięty w stosunku do benzyn ( 1,3), stąd racjonalne używanie alkoholi w silnikach tego typu wymaga dostosowania do nich układu zasilania. W odniesieniu do benzyn, alkoholowe paliwa silnikowe posiadają następujące istotne cechy [46]: mniejsza wartość opałowa, mniejsze teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania, większa odporność na spalanie stukowe, co pozwala stosować większe stopnie sprężania, lepsza zapalność (mniejsza energia zapłonu), co powoduje, że mieszanki alkoholowo-powietrzne mogą być uboższe, czyli sprawność ogólna silnika może być nieco większa, 20

większa prędkość płomienia (o 20 30%), co daje możliwość zastosowania większych prędkości obrotowych, dużo większe utajone ciepło parowania, co przyczynia się do trudności w odparowaniu paliwa, niższa temperatura wrzenia niż temperatura końca odparowania benzyny sprawia, że podgrzewane alkohole całkowicie odparowują wcześniej niż benzyna, alkohole nie mieszają się z benzyną i olejem napędowym (z wyjątkiem butanolu), czyli należy stosować rozpuszczalnik, stabilizator lub emulgator, aby otrzymać stabilną mieszankę paliwowo-alkoholową, alkohole są higroskopijne, a więc przechowywane w kontakcie z powietrzem przejmują od niego wilgoć, alkohole rozpuszczają niektóre metale i powodują ich przyspieszoną korozję. Należący do grupy stosowanych w środowisku motoryzacyjnym paliw alkoholowych metanol jest wytwarzany z gazu ziemnego. Jako paliwo płynne jest w odróżnieniu od gazu, podlega biodegradacji, jednak jest związkiem trującym. Niska prężność par jest powodem złego rozruchu silników o zapłonie iskrowym (dodatek węglowodorów rozwiązuje jednak ten problem). Użycie metanolu powoduje zwiększenie momentu obrotowego i mocy silnika, kosztem dwukrotnego zwiększenia zużycia paliwa i konieczności stosowania specjalnego oleju smarującego silnik. Przy stosowaniu metanolu w silnikach ZS jest możliwy napęd czystym alkoholem, jednak konieczne jest użycie obcego źródła zapłonu lub wysokiego stopnia sprężania. Jeśli chodzi o drugie popularne w środowisku motoryzacyjnym alternatywne paliwo alkoholowe etanol, to można uzyskać je z roślin zawierających cukier (buraki, trzcina, proso cukrowe), skrobię (zboża, ziemniaki) i celulozę. Najkorzystniejsza pod względem energetycznym jest produkcja etanolu z trzciny cukrowej. Dla buraków cukrowych stosunek energii włożonej (bez słonecznej) do otrzymanej (w postaci energii paliwa i ciepła biogazu) wynosi 1:1,2 (97,8:116,5 GJ/ha) [23]. W tabeli 2.2 podano dane o ilości Tabela 2.2. Ilość biomasy potrzebnej do produkcji etanolu [23] Biomasa/Etanol Zapotrzebowanie na biomasę (ziemiopłody) [kg/1 dm 3 etanolu] Uzysk alkoholu z 1 tony biomasy (ziemiopłodu) [dm 3 ] Zapotrzebowanie na biomasę (ziemiopłody) na wytworzenie 1900 dm 3 etanolu [t/rok] Wydajność biomasy (ziemiopłodu) [t/(rok ha)] Obszar na wytworzenie 1900 dm 3 etanolu rocznie [ha] maniok Biomasa trzcina cukrowa proso cukrowe kukurydza, ryż, zboża Ziemiopłody ziemniaki burak cukrowy 5,55 14,3 12,6 2,92 9,0 11,8 180 70 79 342 111 85 10,5 27,1 24,1 5,55 17,1 22,4 15,0 55,0 62,5 2,2 13,2 42,0 1,43 0,49 0,38 2,52 1,29 0,53 21

biomasy potrzebnej do produkcji tego paliwa. Właściwości etanolu są zbliżone do metanolu (z wyjątkiem toksyczności i gęstości energetycznej większej o około 35%). Emisja substancji toksycznych, powstałych w wyniku spalania tych dwóch paliw alkoholowych jest również podobna, z wyjątkiem formaldehydu (mniejsza dla etanolu) i acetaldehydu (większa). Alkohol etylowy ma także większy potencjał formowania i wiązania ozonu troposferycznego. Obecnie istnieją szerokie możliwości wykorzystania płynnych biopaliw alkoholowych w zastosowaniach motoryzacyjnych (tab. 2.3). Tabela 2.3. Źródła biopaliw płynnych, metody otrzymywania oraz możliwości ich zastosowania [50, 52] Bioetanol Biometanol Biopaliwo Roślina Proces konwersji Zastosowanie zboża, ziemniaki, pseudozboża i topinambur buraki cukrowe, trzcina cukrowa lub słodkie sorgo wierzba energetyczna, miskant, słoma, rośliny trawiaste wierzba energetyczna, miskant chiński hydroliza i fermentacja fermentacja obróbka wstępna, hydroliza i fermentacja gazyfikacja lub synteza metanolu dodatek do benzyny Biodiesel rzepak, słonecznik, soja estryfikacja dodatek do ON Bioolej wierzba energetyczna, miskant pyroliza substytut ON lub benzyny Przykładowo bioetanol znalazł szerokie zastosowanie w autobusach miejskich. Używany jest jako samoistne paliwo oraz jako biokomponent. Najpopularniejsze paliwa oparte na bioetanolu to: E10, E20, E85, E95 oraz E100 [66]. Szwedzka firma Scania jest producentem dużych pojazdów użytkowych (samochodów ciężarowych i autobusów, w tym miejskich), który przystosował swoje jednostki napędowe do zasilania paliwem E95 (rys. 2.5 i 2.6). Jest to biopaliwo przeznaczone do silników ZS, będące mieszaniną składającą się z 95% obj. bioetanolu i 5% obj. dodatków poprawiających jego parametry. E95 ma zastosowanie wyłącznie w dużych silnikach o zapłonie samoczynnym, wykorzystywanych do zasilania odpowiednio przystosowanych samochodów ciężarowych i autobusów. Paliwo to jest produktem oferowanym na małą skalę. W Europie E95 stosowane jest w Szwecji, natomiast na Polskim rynku aktualnie wykorzystuje się E85 [66]. Z pewnością prace nad szerszym wprowadzeniem zasilania silników spalinowych alternatywnymi paliwami alkoholowymi będą kontynuowane, bowiem jest to paliwo, które używane w pojazdach (zwłaszcza o dużej ładowności) silnie eksploatowanych w rejonach o dużej gęstości zaludnienia, zapewnia możliwość sprostania wymogom dotyczącym ochrony środowiska naturalnego człowieka. Bioetanol, a także estry kwasów tłuszczowych olejów roślinnych, jako paliwa odnawialne, stanowią cenną formę energii. Mogą one przyczynić się do m.in. [38]: zmniejszenia wykorzystania zasobów naturalnych (nowe źródło energii), zmniejszenia zagrożenia środowiska naturalnego (mniejsza emisja z pojazdów 22

substancji szkodliwych do atmosfery), wykorzystania areałów rolnych (wykorzystanie rezerw i nieużytków). Rys. 2.5. Silnik firmy Scania zasilany paliwem E95 [35] Rys. 2.6. Autobus miejski Scania OmniCity podczas tankowania bioetanolu [35] 2.2. Gazowe paliwa alternatywne 2.2.1. Wprowadzenie Pojazdy zasilane paliwami gazowymi coraz intensywniej wkraczają w nasze otoczenie. Poszukiwania paliw alternatywnych w zastępstwie powszechnie stosowanych paliw płynnych uwarunkowane są względem aktualnych zagadnień dotyczących ekologii, dostępności i ceny. Sama idea zasilania tłokowego silnika spalinowego gazowym paliwem węglowodorowym sięga początków jego wynalezienia. Pierwszy na świecie silnik spalinowy, który skonstruował w 1860 r. Etienne Lenoir, był zasilany gazem świetlnym. Sytuacja ma się podobnie w przypadku pierwszego czterosuwowego silnika o zapłonie iskrowym (ZI), zbudowanego przez Nicolausa Augusta Otto w roku 1876. Skonstruowanie w następnych latach silnika benzynowego (Carl Friedrich Benz) spowodowało zaniechanie stosowania paliw gazowych w motoryzacji. Zainteresowanie węglowodorami gazowymi jako paliwem powróciło 23

dopiero w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku w dobie kryzysu energetycznego i trwa ono do dzisiaj. Gazowe paliwa węglowodorowe są atrakcyjne m.in. ze względu na niską cenę kształtowaną przez państwa. W zasadzie na całym świecie są tańsze od paliw ciekłych. Wynika to nie tylko z niższych kosztów produkcji, ale także z polityki podatkowej wielu państw. Silniki spalinowe mogą być zasilane różnego rodzaju gazami, spośród których na dużą skalę są współcześnie stosowane gaz płynny propan-butan (LPG) oraz gaz ziemny (NG Natural Gas). Inne gazy, takie jak gaz generatorowy, fermentacyjny, koksowniczy i świetlny mają obecnie małe znaczenie jako paliwa dla silników. Wielkości charakterystyczne wybranych paliw gazowych podano w tabeli 2.4. Paliwo gazowe Tabela 2.4. Wielkości charakterystyczne wybranych paliw gazowych [13] Gęstość w warunkach normalnych [kg/m 3 ] Wartość opałowa paliwa [MJ/m 3 ] Wartość opałowa mieszanki stechiom. [MJ/m 3 ] Zawartość tlenu w mieszance stechiom. [%] Współ. dla dolnej granicy zapalności LOM (LOB) [ ] Metan 0,655 36 3,4 19 1,88 110 (140) Propan 1,800 83 3,3 20,2 1,96 95 Butan 2,370 110 3,4 20,3 1,83 92 Gaz ziemny 0,695 34,7 3,4 18,9 2,10 100 110 Gaz koksowniczy 0,468 13 3,35 95 Gaz generatorowy 1,015 5,65 2,6 10,9 4,35 105 Gaz fermentacyjny 1,200 24,2 3,2 18,2 1,94 110 Propan-butan 2,080 96,5 3,35 20,25 1,91 95 (100) Węglowodorowe paliwa gazowe posiadają wiele cech przemawiających za ich stosowaniem. Należą do nich m.in. [22]: duża liczba oktanowa, łatwość mieszania się z powietrzem, dzięki czemu mieszanka jest jednorodna, a jej skład wyrównany (w skali mikro i makroskopowej), mała emisja cząstek stałych, mniejsza masa niż w przypadku paliw ciekłych (np. dla skroplonego metanu o 25%), duże granice zapłonu mieszanek gazowo-powietrznych, dzięki czemu jest możliwe spalanie mieszanek bardzo ubogich, wartość opałowa gazowych mieszanek stechiometrycznych jest mniejsza od wartości opałowej mieszanek wytworzonych na bazie paliw ciekłych, wysoka temperatura samozapłonu. Współczesne samochodowe silniki spalinowe zasilane gazem to niemal wyłącznie jednostki przystosowywane do zasilania tego rodzaju paliwem. Można je podzielić na trzy grupy [3]: Silniki dwupaliwowe ZI, mogące pracować zarówno przy zasilaniu paliwem gazowym, jak i benzyną z możliwością zmiany rodzaju paliwa również w czasie 24

jazdy. Adaptacja silnika ogranicza się do montażu układu zasilania paliwem oraz odpowiedniej jego regulacji. Podstawowe elementy konstrukcyjne silnika nie podlegają żadnym zmianom. Wadą takiego rozwiązania jest obniżenie mocy silnika oraz niewykorzystanie dużej liczby oktanowej paliwa gazowego. Silniki dwupaliwowe ZS zasilane olejem napędowym lub paliwem gazowym w systemie dual-fuel zapłon gazu następuje w wyniku wtrysku niewielkiej (tzw. zapłonowej ) dawki oleju napędowego. W praktyce eksploatacyjnej np. autobusu miejskiego, w ogólnym bilansie energetycznym udział paliwa gazowego wynosi około 60%, reszta energii jest dostarczana ze spalania oleju napędowego. Silniki jednopaliwowe zasilane tylko paliwem gazowym i zarazem optymalnie do niego przystosowane. W tym przypadku istnieją dwie możliwości: o adaptacja silnika ZI do zasilania wyłącznie gazem. Obejmuje ona przede wszystkim zwiększenie stopnia sprężania silnika i zmianę charakterystyk regulatorów kąta zapłonu. Pozwala to na redukcję spadku mocy silnika, wynikającej z zasilania gazowego oraz zmniejszenie zużycia paliwa w porównaniu z układem dwupaliwowym. o adaptacja silnika ZS do zasilania gazem. Wymaga to zaimplementowania zapłonu iskrowego. Konieczne jest również obniżenie stopnia sprężania silnika do wartości 11 12, wykonanie w głowicy gniazd dla świec zapłonowych, zainstalowanie układu zapłonowego i na ogół wymiana kolektora dolotowego. W obecnych czasach panuje powszechne przekonanie, że paliwa ropopochodne, do których zalicza się benzyna i olej napędowy, będą jeszcze przez kilkadziesiąt lat stosowane do napędu pojazdów [6]. Po tym okresie wyczerpią się zasoby ropy naftowej na kuli ziemskiej. Dużo dłuższy okres eksploatacji zasobów przewiduje się dla gazu ziemnego [41]. Stąd zasadnym wydaje się użytkowanie pojazdów zasilanych alternatywnie gazem ziemnym dwu- bądź jednopaliwowo. Współcześnie stosowanie paliw gazowych na świecie jest stosunkowo niewielkie. Większość pojazdów wyposażonych w silniki gazowe to samochody zasilane LPG, natomiast w drugiej kolejności pod względem popularności użytkowania są pojazdy zasilane gazem ziemnym. Spośród wszystkich samochodów z silnikami gazowymi ok. 90% stanowią samochody osobowe z silnikami o zapłonie iskrowym [38]. 2.2.2. Zasilanie silników gazem ziemnym Gaz ziemny jest naturalnym wysokokalorycznym paliwem występującym samodzielnie lub towarzyszącym pokładom ropy naftowej. Po wydobyciu wymaga jedynie osuszenia oraz w niektórych przypadkach odsiarczenia. Jest on mieszaniną lekkich węglowodorów szeregu parafinowego, wydobywających się z ziemi w postaci gazu. Głównymi jego składnikami są metan (83 90% obj.), etan, propan i butan (które z reguły oddziela się jako gaz płynny LPG). W gazie ziemnym w zależności od rodzaju złoża mogą ponadto występować węglowodory cięższe oraz różnego rodzaju zanieczyszczenia: siarkowodór, azot, dwutlenek węgla, powietrze, argon i inne w ilościach śladowych [49]. 25

Różny skład chemiczny gazu ziemnego zależny od źródła pozyskiwania determinuje jego właściwości energetyczne i charakterystykę spalania. Do podstawowych parametrów opisujących charakterystykę energetyczną gazu ziemnego należą [4]: gęstość, liczba Wobbego, ciepło spalania, wartość opałowa, liczba metanowa. Liczba Wobbego (W) jest to wartość wyrażona w MJ/m 3, odniesiona do ciepła spalania H 0 lub wartości opałowej H i jest obliczana za pomocą wzoru [4]: W H 0 ρ lub W H ρ (2.3) gdzie: H 0 ciepło spalania, H wartość opałowa, ρ gęstość względna gazu względem powietrza. Ze względu na wartość liczby Wobbego gaz ziemny możemy podzielić na dwie grupy (wg EN 437): H wysokokaloryczny, W = 48,0 57,8 MJ/m 3, L niskokaloryczny, W = 41,5 47,3 MJ/m 3. Liczba Wobbego zmniejsza się przy wzroście w gazie ziemnym zawartości dwutlenku węgla, azotu, siarkowodoru, wody i innych zanieczyszczeń. Ciepło spalania (H 0 ) jest to ilość ciepła wydzielona po zupełnym i całkowitym spaleniu jednostkowej ilości paliwa, jeżeli spalanie odbywało się pod stałym ciśnieniem, spaliny zostały schłodzone do temperatury początkowej substratów, a zawarta w spalinach para wodna w całości uległa skropleniu. Wartość opałowa (H) jest to ilość ciepła wydzielona po zupełnym i całkowitym spaleniu jednostkowej ilości paliwa, jeżeli spalanie odbywało się pod stałym ciśnieniem, spaliny zostały schłodzone do temperatury początkowej substratów, a zawarta w spalinach para wodna nie ulega skropleniu. Liczba metanowa (LM) jest odpowiednikiem liczby oktanowej i określa odporność paliwa gazowego na spalanie stukowe. Jej wartość wynosi LM = 100 dla czystego metanu i LM = 0 dla wodoru. Ze względu na zapewnienie poprawnej pracy silnika spalinowego ważne są następujące parametry gazu ziemnego [4]: wartość energetyczna, której miarą jest wartość opałowa lub liczba Wobbego, odporność na spalanie stukowe, której miarą jest liczba oktanowa lub metanowa, zawartość siarki, zawartość metanu i innych węglowodorów. Gaz ziemny jest nietoksyczny jest prawie dwa razy lżejszy od powietrza i łatwo się z nim miesza, więc przy występowaniu ewentualnych jego wycieków w pojazdach nie 26

stwarza to dużego niebezpieczeństwa. Producenci silników przeznaczonych do autobusów miejskich wymagają od użytkowników zastosowania paliwa gazowego o odpowiednich parametrach określonych w specyfikacjach. W przypadku gdy skład gazu odbiega od oczekiwanego, producenci silników wymagają od użytkowników otrzymania certyfikatu na stosowanie tego gazu. W zależności od jakości lokalnego gazu możliwa jest adaptacja parametrów pracy silnika przez zastosowanie odpowiednich ustawień sterowania silnikiem. Wymagania dotyczące gazu ziemnego zostały opisane standardami. Jakość gazu ziemnego do zasilania silników spalinowych określona jest normą ISO 15403 i uzupełniającą ją specyfikacją Wymagania odnośnie składu gazu ziemnego. Według tej specyfikacji wybrane składniki nie powinny przekraczać określonych wartości: zawartości siarki nie więcej niż 5 mg/m 3, zawartość wody nie więcej niż 0,03 mg/m 3 w gazie sprężonym do ciśnienia 25 MPa w temperaturze nie niższej niż 13 C, zawartość siarkowodoru nie więcej niż 5 mg/m 3, zawartość merkaptanów nie więcej niż 15 mg/m 3, zawartość oleju w zakresie 70 200 ppm brak ciekłych wyższych węglowodorów, zawartość wolnego tlenu nie więcej niż 3%, brak glikolu i metanolu. W przypadku silników samochodowych do ich zasilania wykorzystuje się wyłącznie gaz ziemny wysokometanowy, zawierający powyżej 90% CH 4. Może on być magazynowany w pojeździe w dwóch postaciach [38]: sprężonej, pod ciśnieniem 16 25 MPa (CNG Compressed Natural Gas), skroplonej, w temperaturze 162 C (LNG Liquefied Natural Gas). Podział sposobów zasilania pojazdów gazem ziemnym przedstawiono na rysunku 2.7. Wtrysk niskociśnieniowy Wtrysk wysokociśnieniowy CNG HCNG Bi-fuel Mono-fuel a) monovalent (jednopaliwowe) b) bivalent (dwupaliwowe) Mieszanina gazu ziemnego i wodoru (do 30% H 2 ) Wtrysk gazu i oleju napędowego (brak świecy zapłonowej) CNG-DI (tylko gaz ziemny; świeca ceramiczna; temp. 1200 1300 o C) Sprężony gaz ziemny Rys. 2.7. Współczesne sposoby zasilania silników gazem ziemnym [38] W przypadku zastosowań silnikowych gaz ziemny występuje częściej w postaci sprężonej (CNG) jako technicznie prostszy. Zgodnie z dyrektywami Unii Europejskiej sprężony gaz ziemny jest jednym z trzech paliw alternatywnych do zasilania silników 27

pojazdów, które mają w najbliższej przyszłości dużą szansę zaistnienia na rynku i których udział do roku 2020 ma wzrosnąć odpowiednio do wartości [4]: CNG 10%, biopaliwa płynne 8%, wodór 5%. W związku z dużymi zasobami gazu ziemnego na świecie, wysokim bezpieczeństwem eksploatacji i małą emisją substancji szkodliwych, CNG ma największy procentowo udział wśród tych trzech wymienionych paliw alternatywnych. Zasilanie pojazdów CNG odbywa się z butli gazowych, w których gaz jest sprężony do ok. 20-25 MPa. Najczęściej modyfikowane są seryjne silniki ZI lub ZS oraz ich układy zasilania w układy jedno- lub dwupaliwowe. Dla pojazdów osobowych wykorzystywane są najczęściej układy dwupaliwowe. W przypadku autobusów lub pojazdów transportu wewnętrznego stosowane są układy tylko gazowe. Obecnie coraz więcej firm samochodowych ma w swej ofercie pojazdy zasilane CNG jako produkowane seryjnie. Gaz ziemny posiada małą wartość opałową w odniesieniu do jednostki objętości. Jest to istotną wadą tego paliwa ze względu na możliwości magazynowania go w pojeździe. Metan sprężony do 20 MPa zajmuje ok. 3,5 razy większą objętość w porównaniu z objętością paliwa silnikowego ciekłego benzyny lub oleju napędowego. Skutkuje to wyraźnym wzrostem masy własnej pojazdu w celu zapewnienia zasięgu zbliżonego do uzyskiwanego przy zasilaniu paliwem ciekłym konieczność umieszczenia w pojeździe butli o odpowiednio dużej pojemności. Gaz ziemny aktualnie stosowany jest głównie w transporcie miejskim (przedsiębiorstwa komunikacyjne i dystrybucja miejska) oraz w przewozach krótkodystansowych (np. dystrybucja lokalna). Wynika to przede wszystkim z braku dostatecznie rozbudowanej sieci stacji tankowania. Jest to jeden z najistotniejszych problemów hamujących szybki wzrost przewozów osób i towarów pojazdami wyposażonymi w instalacje na CNG. Problem ten istnieje zarówno w Polsce, jak i całej Europie, jednak w naszym kraju wydaje się być szczególnie widoczny. Stosowanie sprężonego gazu ziemnego powoduje zmniejszenie poziomu zanieczyszczeń powietrza w mieście. Silniki spalinowe zasilane tego rodzaju paliwem charakteryzują się bowiem dobrymi właściwościami ekologicznymi, szczególnie małą emisją dwutlenku węgla do atmosfery, wynikającą z mniejszej zawartości węgla w tym paliwie w porównaniu z benzyną, czy olejem napędowym. Przynosi również istotne korzyści ekonomiczne, ponieważ sprężony gaz ziemny jest paliwem tańszym niż klasyczny olej napędowy. Wykorzystanie sprężonego gazu ziemnego jest szczególnie korzystne w komunikacji miejskiej, ponieważ w znacznym stopniu zmniejsza emisję toksycznych cząstek stałych. Największe efekty ekologiczne i ekonomiczne daje wykorzystanie CNG do napędu autobusów miejskich, gdyż są one eksploatowane na ograniczonym obszarze i wymagają stosunkowo małych nakładów na infrastrukturę. Aby pojazdy zasilane CNG, których silniki zasilane są mieszanką stechiometryczną (S) oraz ubogą (U) mogły spełnić wytyczne odnoszące się do normy emisji spalin wymaga się spełniania określonych kryteriów [38]: 28

poprawa sprawności konwersji metanu w reaktorach katalitycznych typu TWC (S) i Oxicat (U) oraz zwiększenie ich odporności termicznej, zwiększenie precyzji utrzymywania stechiometrycznego składu mieszanki, szczególnie w stanach nieustalonych (S), poprawa procesu tworzenia mieszanki wprowadzenie sekwencyjnego systemu MPI (S), optymalizacja procesu spalania zwiększenie jego szybkości przez odpowiedni ruch ładunku w cylindrze, ograniczenie stref wygaszania płomienia, zmienne fazy rozrządu, zapłon wieloświecowy (S i U), uwarstwienie ładunku (U), zastosowanie chłodzonego układu EGR (S i U), wzrost stopnia sprężania wzrost c (U, w mniejszym stopniu S), stosowanie wysokiej jakości paliw gazowych (S i U). Dużym problemem inwestycyjnym w przypadku CNG jest stacja jego tankowania oraz sprężenie samego gazu do ciśnienia umożliwiającego zatankowanie pojazdu w odpowiednim czasie. Istnieją dwie możliwości tankowania pojazdów. Pierwsza możliwość to szybkie tankowanie ze stacji o dużym wydatku. Drugie rozwiązanie to tankowanie wolne podczas planowanego długiego postoju w bazie. Uwzględniając powyższe stacje tankowania gazem ziemnym można podzielić na [38]: szybkiego lub powolnego tankowania, stacjonarne lub przewoźne, ogólnodostępne lub zakładowe. Sprężanie gazu ziemnego w stacjach odbywa się za pomocą sprężarek [48]: małych (wydajność do 15 m 3 /h), średniej wielkości (wydajność 30 200 m 3 /h), dużych (wydajność powyżej 450 m 3 /h). Stacje szybkiego tankowania umożliwiają napełnienie zbiornika samochodu osobowego w czasie 3 7 minut. Aby szybko zatankować gaz ziemny bez konieczności posiadania sprężarki o dużej wydajności stosuje się magazyny kaskadowe. Są to zestawy w układzie trójsegmentowym (nisko-, średnio- i wysokociśnieniowe). W skład zestawu wchodzi 10 50 butli dla każdego segmentu o pojemności 80 150 dm 3 każda. Podczas przerw w tankowaniu pojazdów sprężarka napełnia magazyn kaskadowy (do ciśnienia 25 30 MPa), natomiast w czasie tankowania pojazdu gaz podawany jest ze zbiorników kaskadowych, a sprężarka jedynie dotłacza gaz do wymaganego ciśnienia. System powolnego tankowania nie wymaga budowy magazynów kaskadowych. Gaz tłoczony jest bezpośrednio do zbiorników pojazdu o ciśnieniu nieznacznie przekraczającym ciśnienie docelowe. Zbiorniki zamontowane w pojazdach napełniane są w czasie 6 8 h, co stanowi znacznie tańsze rozwiązanie dla flot pojazdów lub prywatnych ich użytkowników. W roku 2002 szwedzka firma Volvo zaprezentowała silnik o oznaczeniu GH10C o pojemności skokowej 9,6 dm 3 i mocy użytecznej 184 lub 213 kw zasilany sprężonym gazem ziemnym (rys. 2.8). Silnik ten stosowano w autobusie Volvo 7000 CNG (rys. 2.9). Wyposażono go w czujnik tlenu w spalinach oraz układ wtryskowy zapewniający odporność na paliwo o niskiej jakości. Ze składu chemicznego paliwa gazowego wynika, 29

że w produktach jego spalania będzie odpowiednio więcej produktów utleniania wodoru (H2O), a mniej tlenku i dwutlenku węgla (z uwagi na zwiększony udział wodoru względem węgla). Rys. 2.8. Autobus miejski Volvo 7000 CNG [65] Rys. 2.9. Schemat silnika Volvo GH10C zasilanego gazem ziemnym [70] Inna szwedzka firma Scania również produkuje silnik przystosowany do zasilania sprężonym gazem ziemnym (silnik o zapłonie iskrowym bazujący na silniku o zapłonie samoczynnym). Jest to jednostka 6-cylindrowa o pojemności skokowej 9,6 dm 3 (tab. 2.5). Wyposażona ona jest w mechanicznie regulowany wtrysk gazu do układu dolotowego oraz elektryczną przepustnicę i układ doładowania turbosprężarką. Ta jednostka napędowa przystosowana jest do spalania mieszanek ubogich. Układ zapłonowy stanowią oddzielne cewki i świece zapłonowe dla każdego z cylindrów. Układ dolotowy natomiast posiada zawór zabezpieczający przed nagłym wzrostem ciśnienia występującego w przypadku gwałtownego zamknięcia przepustnicy. Gaz ziemny przechowywany jest w autobusie Scanii w zbiornikach przy wartości ciśnienia 20 MPa, skąd zostaje dostarczony do reduktora wysokiego ciśnienia ciśnienie zostaje obniżone do 1 MPa (rys. 2.10). Dalsza redukcja następuje w regulatorze niskiego ciśnienia po czym gaz dostaje się do układu mieszalnika. Wartość 30

ciśnienia gazu ziemnego utrzymuje się na poziomie nieznacznie wyższym od ciśnienia atmosferycznego (powstającego w wyniku zastosowania doładowania). Podczas rozprężania gazu następuje ochłodzenie układu zasilania, dlatego wymagane jest jego podgrzewanie. Układ ten ma ograniczenie maksymalnej prędkości obrotowej do 2400 obr/min. Powyżej tej wartości zostaje odcięty dopływ gazu oraz zapłon, a przywrócony po uzyskaniu prędkości obrotowej na poziomie 2200 obr/min. Zbiorniki na CNG zamontowane są na dachu przed przednią osią i pozwalają na uzyskanie maksymalnego zasięgu rzędu 300 450 km. Tabela 2.5. Parametry techniczne silnika Scanii zasilanego CNG [70] Wielkości Charakterystyka Typ silnika 4-suwowy o zapłonie iskrowym Liczba i układ cylindrów 6-cylindrowy, rzędowy Pojemność skokowa 9,6 dm 3 Liczba zaworów na cylinder 2 Moc maksymalna 191 kw przy 2000 obr/min Maksymalny moment obrotowy 990 N m przy 1300 obr/min Norma emisji spalin Euro V Rys. 2.10. Układ zasilania gazem ziemnym silnika Scanii [70] Firma Daimler, produkująca pojazdy pod wieloma markami, w tym Mercedes-Benz, posiada w swojej ofercie silniki gazowe, stosowane m.in. w autobusach miejskich Citaro (o objętości skokowej 12 dm 3 ) oraz w samochodach dostawczych Sprinter (o objętości skokowej 4 dm 3 ). Pierwszy z nich stanowi modyfikację silnika ZS i wyposażony jest w układ utleniającego reaktora katalitycznego z czujnikiem tlenu (tzw. sondą lambda) oraz układ doładowania turbosprężarką z chłodnicą powietrza doładowującego. Silnik ten pracuje na mieszance typu lean-burn (co stwarza znaczne trudności w kwestii opanowania emisji szkodliwych składników spalin), spełniając normę emisji EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle). Oferowany jest w dwóch zakresach mocy, uwarunkowanymi ilością zaworów ssących na jeden cylinder. 31

Drugi z ww. silników firmy Daimler to modyfikacja jednostki o zapłonie iskrowym z sekwencyjnym wtryskiem paliwa. Ze względu na unifikację z silnikiem ZI, koszt przystosowania silnika do spalania CNG jest znacznie niższy. Silnik oferowany jest również w wersji zasilanej propan-butanem (LPG). Parametry techniczne obu silników przedstawiono w tabeli 2.6. Tabela 2.6. Porównanie silników gazowych firmy Daimler montowanych w pojazdach ciężarowych i autobusach marki Mercedes [62] Typ silnika Pojemność skokowa Rodzaj zasilania Moc maksymalna [kw] Moment obrotowy Gazowy, R6, ZI, doładowany, poziomy Gazowy, R4 12 dm 3 2.3 dm 3 mieszalnik gazu w początkowej części kolektora ssącego, praca na ubogiej mieszance (lean-burn) 185 kw przy 2000 obr/min 1050 N m przy 1000 1400 obr/min 240 kw przy 2000 obr/min 1250 N m przy 1000 1400 obr/min wtrysk sekwencyjny gazu ziemnego 95 kw przy 5400 obr/min 185 N m przy 3300 4500 obr/min Benzynowy, R4 wielopunktowy wtrysk benzyny HFM-Motronic 105 kw przy 5000 obr/min 215 N m przy 3200 4700 obr/min Włoska firma Iveco również posiada ofertę jednostki napędowej zasilanej CNG i przeznaczonej do autobusu miejskiego. Jest to silnik o mocy użytecznej 210 kw spełniający normę emisji spalin Euro VI (tab. 2.7). Jest on rozwinięciem jednostki o zapłonie samoczynnym, w której zastosowano sekwencyjny, wielopunktowy wtrysk gazu ziemnego (spalanie mieszanek stechiometrycznych). Silnik Iveco montowany jest m.in. w autobusach Tector 7, Cursor 9, Solaris. Tabela 2.7. Wartości emisji składników toksycznych silnika Iveco na tle norm emisji spalin pojazdów zasilanych gazem [70] Norma emisji Wartość emisji jednostkowej [g/(kw h)] CO NMHC CH 4 NO x PM Euro VI 4 0,16 0,5 0,4 0,01 EEV 3 0,4 0,65 2 0,02 Cursor 8 NGV 2,53 0,01 0,02 0,38 0,01 W obecnie produkowanych samochodach osobowych i pojazdach użytkowych (samochodach dostawczych, ciężarowych, autobusach), zbiorniki z gazem ziemnym są umieszczane pod podłogą lub na dachach pojazdów. Umieszczenie zbiorników na CNG pod podłogą powoduje [38]: zwiększenie bezpieczeństwa pasażerów przy ewentualnym rozszczelnieniu zbiornika gazu i jego migracji do przedziału pasażerskiego, brak ograniczania przestrzeni bagażowej, w przypadku podłogi wykonanej z jednego arkusza blachy prawie całkowite 32

uniemożliwienie przeniknięcie gazu, ułatwienie demontażu w celu przeprowadzenia okresowej rewizji zbiornika, gdyż demontaż butli umocowanej pod podłogą możliwy jest tylko od dołu pojazdu i może być dokonany mimo umieszczonego w samochodzie ładunku. Na rynku motoryzacyjnym dostępne są różne rodzaje zbiorników na sprężony gaz ziemny. Różnią się one między sobą kształtem oraz materiałem, z jakiego są wykonane (tab. 2.8). Tabela 2.8. Rodzaje zbiorników na gaz ziemny [67] Typ konstrukcji Masa 1 dm 3 objętości zbiornika [kg] Wymagane minimalne ciśnienie niszczące [MPa] Zbiornik wykonany ze stali 0,9 1,1 45 Zbiornik stalowy wzmocniony obwodowo włóknem polimerowym, zbrojonym Wewnętrzna powłoka zbiornika metalowa, a cała powierzchnia owinięta powłoką nośną z kompozytu długowłóknistego 0,77 0,9 47 50 0,34 0,52 47 70 Zbiornik wykonany całkowicie z kompozytów 0,3 0,4 47 73 Liczba pojazdów zasilanych CNG na świecie stale się powiększa. Wzrost liczby tego typu pojazdów w Polsce nie jest tak dynamiczny, jednak uwarunkowania prawne stale pojawiające się nowe normy emisji powodują, że producenci i użytkownicy pojazdów samochodowych coraz częściej rozważają możliwości powszechniejszego zastosowania tego paliwa. Producenci różnego rodzaju pojazdów i urządzeń silnikowych na całym świecie wprowadzają do swoich ofert silniki zasilane sprężonym gazem ziemnym. W silniki zasilane CNG wyposażone są m.in.: kosiarki spalinowe, wózki widłowe, samochody osobowe i różne pojazdy użytkowe (w tym samochody dostawcze, ciężarowe i autobusy). Analizując dynamiczny rozwój zastosowania sprężonego gazu ziemnego do napędu pojazdów w Europie i na świecie (nie tylko w samochodach osobowych i pojazdach użytkowych, ale również w lokomotywach, jednostkach pływających czy w wózkach transportu wewnętrznego w fabrykach), można stwierdzić niewielką dynamikę w warunkach polskich. Może być to spowodowane m.in. [38]: brakiem promotora takich rozwiązań; np. we Francji powołano spółkę NGVert, która oferuje usługi konsultacyjne, kompleksowe wyposażenie techniczne i pomoc w zdobyciu środków finansowych, długotrwałymi postępowaniami homologacyjnymi dopuszczającymi do eksploatacji nowe rozwiązania techniczne; np. wykorzystywanie lekkich zbiorników kompozytowych, niedostateczną liczbą stacji tankowania CNG, brakiem łatwo dostępnych środków finansowych na wdrożenie nowych rozwiązań. 33

Zastosowanie sprężonego gazu ziemnego jako paliwa do pojazdów silnikowych ma szereg zalet, szczególnie o charakterze ekologicznym, jak również ekonomicznym. Należy jednak brać pod uwagę wszystkie aspekty stosowania węglowodorowego paliwa gazowego, jego dystrybucji i magazynowania, technicznego przygotowania pojazdów i bazy naprawczo-diagnostycznej. Do zalet stosowania sprężonego gazu ziemnego należą [4]: spalanie całkowite, które jest główną zaletą stosowania CNG jako paliwa silnikowego. Mała emisja podczas procesu spalania, jak również zmniejszona emisja w całym procesie przetwórstwa gazu ziemnego jest główną przyczyną stosowania go jako paliwa. Gaz ziemny jest nietoksyczny dla organizmów żywych. Emisja hałasu podczas pracy silnika jest mniejsza w porównaniu z silnikami ZS, bezpieczeństwo eksploatacyjne wynikające z mniejszej gęstości metanu od powietrza, które możemy rozważać pod kątem rozszczelnienia instalacji CNG w porównaniu z instalacją LPG i paliwem ciekłym. W przypadku dwóch ostatnich istnieje większe zagrożenie wybuchem niż w przypadku rozszczelnienia instalacji CNG. Można również rozważać bezpieczeństwo transportu gazu ziemnego w aspekcie niekontrolowanych zdarzeń. W przypadku katastrofy cysterny z paliwem ciekłym istnieje zagrożenie skażenia zarówno powietrza, gleby oraz wody. Usunięcie skutków tego typu szkód jest bardzo kosztowne i czasochłonne. W przypadku rozszczelnienia gazociągu lub zbiorników w trakcie transportu gazu ziemnego nie występuje bezpośrednie skażenie gleby i wody, możliwość transportowania bezpośrednio do użytkownika (stacja tankowania, garaż), możliwość pozyskiwania z różnych źródeł, w tym odnawialnych, brak skomplikowanego procesu przeróbki surowca (ropy naftowej), występującego w przypadku paliw ciekłych, niższa cena w porównaniu z paliwami ciekłymi, większa trwałość i żywotność silnika. Wysoka liczba oktanowa metanu powoduje równomierną i bezstukową pracę silnika, co pozytywnie wpływa na jego trwałość, łatwość rozruchu zimnego silnika. Paliwo będące w stanie gazowym łatwiej tworzy z powietrzem mieszankę palną. Do wad stosowania sprężonego gazu ziemnego należą [4]: większy koszt silnika i pojazdu niż przy zasilaniu paliwem ciekłym, mała liczba stacji tankowania. Liczba stacji tankowania zniechęca użytkowników pojazdów do zakupu bądź przeróbki na zasilanie CNG. Rozwiązanie tego problemu musi iść dwutorowo, poprzez zachęcenie zarówno inwestorów, jak również użytkowników do korzystania z paliwa tego typu, wzrost intensywności niszczenia warstwy ozonowej i efektu cieplarnianego, spowodowany ulatniającym się do atmosfery metanem, możliwość niekontrolowanego spalania i wybuchów w układzie dolotowym 34

(zjawisko cofania się płomienia), mniejsza prędkość spalania w odniesieniu do benzyny, większe obciążenie cieplne spowodowane pełniejszym spalaniem, co przyspiesza procesy utleniania i nitryfikacji oleju, absorpcja pary wodnej przez CNG, która przy odpowiednich warunkach przechodzi w ciecz i może krzepnąć, utrudnione dopalanie katalityczne metanu, wymagające specjalnych reaktorów katalitycznych. zmniejszenie powierzchni użytkowej i ładowności pojazdu przez zbiorniki gazu. Adaptacja pojazdów zasilanych paliwami ciekłymi powoduje konieczność znalezienia miejsca na dodatkowe zbiorniki gazu. Zbiorniki wykonane najczęściej ze stali mają dużą masę. Obecne prace nad magazynowaniem gazu ukierunkowane są na zmniejszenie masy zbiorników po przez stosowanie nowoczesnych materiałów kompozytowych służących do ich wykonywania. Stosowanie nowych rozwiązań ograniczających masę całkowitą pojazdu powoduje poprawę osiągów pojazdu o około 10%. 2.2.3. Zasilanie silników biogazem Biogaz to gaz powstający np. w procesie beztlenowej fermentacji obornika i innych odpadków organicznych przy udziale bakterii metanowych. Jest łatwopalny, zawiera do 75% metanu, resztę stanowi dwutlenek węgla i inne składniki (tab. 2.9). Biogazownie rolnicze wykorzystują w procesie fermentacji beztlenowej substraty pochodzące z celowych plantacji, jak kukurydza, burak, rośliny motylkowe, trawy, oraz odpady i produkty uboczne powstające w rolnictwie i przemyśle rolno-spożywczym. Biogaz rolniczy, dzięki dość jednorodnemu składowi substratów wykorzystywanych w procesie, charakteryzuje się małą ilością domieszek substancji niepożądanych. Dzięki temu jego oczyszczanie jest łatwiejsze w porównaniu z gazem składowiskowym lub pochodzącym z fermentacji osadu ściekowego, co zwiększa jego przydatność jako paliwa stosowanego w pojazdach silnikowych. Tabela 2.9. Skład chemiczny biogazu [38] Składniki Udział [%] Metan CH 4 50 75 Dwutlenek węgla CO 2 14 18 Siarkowodór H 2 S 0,08 5,5 Wodór H 2 0 5 Tlenek węgla CO 0 2,1 Azot N 2 0,6 7,5 Tlen O 2 0 1 Wydatek i jakość gazu powstającego przy fermentacji beztlenowej są zależne od rodzaju surowców pierwotnych i stopnia ich przefermentowania, temperatury procesu, oddziaływań mechanicznych oraz czasu. Jako surowce do produkcji biogazu wykorzystuje się odchody zwierząt hodowlanych z ewentualną domieszką słomy lub 35

innych odpadków pochodzenia roślinnego (rys. 2.11). Jako surowce w produkcji biogazu mogą być wykorzystywane także odpady komunalne po wyselekcjonowaniu składników organicznych. Uprawy rolne Biomasa Odpady rolne Odpady żywnościowe Konwersja Termiczna Chemiczna Biologiczna Fotochemiczna Syngaz Biowodór Etanol Biodiesel DME Etanol Konwersja GTL (Gas-To-Liquid) Ogniwo paliwowe Silnik spalinowy Rys. 2.11. Możliwości produkcji paliw z biomasy [59] Wartość opałowa biogazu surowego jest znacznie niższa, niż gazu ziemnego, czy też sprężonego gazu ziemnego stosowanego jako paliwo silnikowe. Biogaz najczęściej wykorzystywany jest do przetwarzania na energię elektryczną i/lub ciepło. Oczyszczanie biogazu dla tego typu zastosowań sprowadza się głównie do usunięcia siarkowodoru oraz wody, negatywnie wpływających na funkcjonowanie i żywotność urządzeń energetycznych powodujących ich korozję. Ze względu na efektywność procesów przetwarzania energii, korzystniejsze są procesy polegające na oczyszczaniu biogazu do jakości gazu ziemnego i wykorzystywanie go bezpośrednio jako nośnika energii paliwa przeznaczonych dla silników spalinowych. Obecnie istnieje wielki potencjał w wykorzystywaniu sprężonego gazu ziemnego, za którym stoi wiele czynników stymulujących. CNG jest używany z powodzeniem, jako paliwo transportowe, obniżając emisję substancji szkodliwych, poprawiając jakość powietrza i zastępując paliwa konwencjonalne paliwo kopalniane, tym samym wspierając energetykę Europy i bezpieczeństwo paliwowe. Według przyjętej przez UE oraz podpisanej przez Polskę dyrektywy UE nr 2009/28 WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł alternatywnych do 2020 roku, aż 15% procent produkowanej energii będzie musiała pochodzić ze źródeł niekonwencjonalnych. Powyższy fakt świadczy o konieczności rozbudowy sieci dystrybucji wyprodukowanego gazu ziemnego, co w przyszłości znacznie ułatwi dostęp operatorom komunikacyjnym mniejszych miast do tego typu paliwa. 36

3. ANALIZA SYSTEMÓW NAPĘDOWYCH ZASILANYCH PALIWAMI GAZOWYMI 3.1. Uwagi ogólne Sprężony gaz ziemny, przy odpowiedniej konstrukcji silnika wraz z systemami oczyszczania gazów wylotowych, pozwala znacząco wpłynąć na zmniejszenie emisji związków szkodliwych spalin w porównaniu do silników spalinowych zasilanych węglowodorowymi paliwami ciekłymi. Stosowanie paliw gazowych, ze względu na ich właściwości wymaga montażu w pojeździe skonstruowanych do tego celu podzespołów. Instalacja zasilania układu napędowego paliwem gazowym musi umożliwiać przechowywanie paliwa gazowego oraz jego dostarczenie w wymaganych parametrach do komory spalania. Elementy zasilania gazem silnika spalinowego, przedstawiono na rys. 3.1. Przedstawiony silnik (Westport GX) powstał na bazie silnika Cummins ISX poprzez wprowadzenie modyfikacji w układzie zasilania silnika. Paliwo jest wtryskiwane pod wysokim ciśnieniem bezpośrednio do komory spalania. Jako paliwo użyto skroplonego gazu ziemnego LNG, dlatego przechowywane jest ono w zbiorniku kriogenicznym. Ze zbiornika paliwo tłoczone jest przez układ podgrzewania, w którym jako medium grzewcze użyto ciecz chłodzącą silnik. Gaz o ciśnieniu 30 MPa i temperaturze 40 C poprzez układ filtrów trafia do zbiornika wysokociśnieniowego, który zastosowano w celu zniwelowania pulsacji ciśnienia. CNG oraz ON dostarczane wtryskiwacz e układ kondycjonowania paliwa CNG zbiornik wysokociśnieniowy (CNG) pompa wtryskowa ON pompa hydrauliczna układy sterujące zbiornik LNG Rys. 3.1. Silnik Westport GX z elementami zasilania paliwem LNG [65] 37

są do układu kondycjonowania, a następnie przez wtryskiwacze do komory spalania [66]. Ponieważ opisywany silnik wykorzystuje zapłon samoczynny, wymagana jest również dawka pilotująca oleju napędowego, aby doszło do kontrolowanego samozapłonu. Obecnie na rynku, większość silników zasilanych CNG lub LNG wykorzystuje zapłon iskrowy, gdzie wtrysk ON nie jest stosowany. Ze względu na rodzaj instalacji rozróżniamy instalacje montowane przez producenta, określane jako fabryczne oraz montowane poza fabryką pojazdu, przez firmy wyspecjalizowane montażowe tzw. instalacje nakładkowe. Te pierwsze w większości przypadków montowane są w nowych pojazdach, natomiast te drugie zazwyczaj w pojazdach używanych. Pod względem ekonomii, eksploatacji i ochrony środowiska, lepszym rozwiązaniem są instalacje fabryczne, dedykowane do konkretnego modelu silnika, dla którego przeprowadzono proces homologacji. Kolejnym aspektem na korzyść instalacji fabrycznych jest funkcjonalność pojazdów, która ze względu na rozłożenie zbiorników w przestrzeniach niewykorzystanych, lub wykonując nieznaczne zmiany konstrukcyjne, pozostają na poziomie pojazdu wyposażonego w konwencjonalny układ napędowy. W przypadku instalacji nakładkowych funkcjonalność pojazdu zostaje mocno zmniejszona przez zbiorniki na paliwo, które zajmują dużo przestrzeni w pojeździe. Przykłady fabrycznego montażu zbiorników w pojazdach osobowych, przedstawiono na rys. 3.2 3.4. W pierwszych dwóch przypadkach montaż ma miejsce pod podłogą bagażnika, natomiast w trzecim od spodu pojazdu. Rys. 3.2. Montaż zbiorników CNG w pojeździe Citroen C3 [70] Rys. 3.3. Zbiorniki CNG w pojeździe Mercedes-Benz E200 NGT [70] 38

Rys. 3.4. Zbiorniki CNG w pojeździe VW Caddy Ecofuel [62] W pojazdach dostawczych ze względu na dużą ilość przestrzeni ładunkowej zwiększają się możliwości lokalizacji zbiorników. Przykład montażu butli w pojeździe Fiat Ducato Natural Power przedstawiono na rys. 3.5. Zbiorniki na CNG umieszczono pod podłogą pojazdu. W większości fabrycznych instalacji, montaż butli na paliwo nie powoduje zmniejszenia funkcjonalności pojazdu. W niektórych przypadkach, możliwość instalacji zbiorników wzrasta wraz ze zwiększaniem długości pojazdu (im dłuższa odmiana pojazdu, tym większa możliwość adaptacji przestrzeni). Rys. 3.5. Przykład montażu zbiorników CNG w pojeździe dostawczym [67] Jeszcze większe możliwości rozmieszczenia zbiorników występują w pojazdach ciężarowych. W tym przypadku najbardziej popularny jest montaż butli z boku do ramy pojazdu (rys. 3.6). Aby zwiększyć zasięg, możliwy do pokonania na jednym tankowaniu, zbiorniki mogą być zamontowane po obu stronach nadwozia oraz być połączone ze zbiornikami umiejscowionymi za kabiną kierowcy (rys. 3.7). Podobny sposób montażu zbiorników na CNG i LNG stosuje się także w pojazdach specjalistycznych, adoptowanych np. jako śmieciarki. W niektórych przypadkach, gdy konstrukcja nadwozia na to nie pozwala, lub montaż butli znacząco ograniczałby 39

funkcjonalność pojazdu, zbiorniki gazu CNG mogą zostać umieszczone na dachu pojazdu (rys. 3.8). Rys. 3.6. Montaż zbiorników CNG do ramy pojazdu [59] Rys. 3.7. Zestaw zbiorników CNG zamontowanych za kabiną kierowcy [59] Rys. 3.8. Zestaw zbiorników CNG zamontowanych na dachu pojazdu [34] 40

3.2. Rozwiązania przeznaczone dla pojazdów kategorii PC i HDV Dla przeciętnego użytkownika najbardziej reprezentatywną grupą pojazdów, są samochody osobowe. Niestety ze względu na ograniczone wymiary, a także charakterystyczne cechy konstrukcyjne dla tej kategorii pojazdów istotnym problemem jest zapewnienie przestrzeni do montażu dodatkowych elementów instalacji gazowej. Kluczowy jest montaż zbiorników do magazynowania CNG lub LNG, gdyż wygospodarowanie niezbędnej powierzchni ma wpływ na dalszą funkcjonalność użyteczną samochodu. Jednym z najlepiej przystosowanych pojazdów osobowych do implementacji alternatywnych źródeł energii był Mercedes klasy A, ponieważ został zaprojektowany z myślą o wersji wykorzystującej ogniwa paliwowe, dzięki zastosowaniu innowacyjnych rozwiązań. Możliwe to jest dzięki korzystnemu wykorzystaniu przestrzeni pojazdu oraz konstrukcji pojazdu uwzględniającej możliwość montażu takiego układu napędowego. Niemniej istotne jest obniżenie masy pojazdu, zastępowanie butli stalowych kompozytowymi oraz opracowywanie coraz bardziej wydajnych silników, dzięki czemu możliwe jest zapewnienie wystarczającego zasięgu pojazdu napędzanego paliwem gazowym. Jednym z mniejszych pojazdów napędzanych CNG jest Fiat Panda Natural Power (rys. 3.9). Samochód ten został wyposażony w zbiorniki CNG o łącznej objętości 80 dm 3, co pozwala na zatankowanie 12 kg CNG. W teście niemieckiego czasopisma Auto Motor und Sport, zmierzone zużycie gazu wynosiło 3,8 kg/100 km, a więc zasięg pojazdu na samym CNG wynosi ponad 300 km. W przeciwieństwie do innych tego typu pojazdów, nie zmniejszono zbiornika na benzynę (35 dm 3 ), dzięki czemu łączny zasięg na obu paliwach wynosi prawie 900 km (przyjęto średnie zużycie benzyny 6,2 dm 3 /100 km). Do napędu omawianego pojazdu wykorzystano dwucylindrowy, turbodoładowany silnik ZI z hydraulicznym sterowaniem zaworami dolotowymi (technologia Twinair). Dane techniczne tego pojazdu przedstawiono w tabeli 3.1. Rys. 3.9. Rozmieszczenie elementów układu napędowego w samochodzie Fiat Panda Natural Power [31] 41

Tabela 3.1. Dane techniczne samochodu Fiat Panda Natural Power [31] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Fiat Objętość skokowa [dm 3 ] 0,875 Liczba cylindrów/układ Moc maksymalna [kw] Maksymalny moment obrotowy [Nm] Układ oczyszczania spalin 2/rzędowy 59 przy 5500 obr/min 140 przy 2500 obr/min (CNG) 145 przy 1900 obr/min (benzyna) trójfunkcyjny reaktor katalityczny Norma emisji spalin Euro 5 Skrzynia biegów Zbiorniki paliwa [dm 3 ] manualna, 5-stopniowa zbiornik CNG: ok. 80 zbiornik benzyny: 35 Najnowszym rozwiązaniem mercedesa jest model B200 NGD, w którym zbiorniki CNG umieszczono pod przednimi i tylnymi fotelami, dzięki czemu nie zmniejszono funkcjonalności pojazdu (rys. 3.10). Dane techniczne Mercedesa klasy B w wersji napędzanej CNG, przedstawiono w tab. 3.2. Rys. 3.10. Rozmieszczenie elementów układu napędowego w samochodzie Mercedes-Benz B200 NGD [63] Jednym z mniejszych samochodów dostawczych wyposażonych w napęd CNG, jest Fiat Doblo Natural Power (rys. 3.11). Dane techniczne pojazdu zamieszczono w tab. 3.3. Jako jednostkę napędową wykorzystano turbodoładowany silnik ZI o objętości skokowej 1,4 dm 3. Dzięki wykorzystaniu silnika turbodoładowanego, samochód wykorzystujący do napędu CNG cechują osiągi porównywalne z pojazdami napędzanymi jednostkami typu ZS. Objętość zbiorników CNG jest zależna od długości nadwozia i wynosi od ok. 105 145 dm 3, dzięki czemu można zatankować ok. 16 22 m 3 gazu ziemnego. Ponadto pozostawiono zbiornik na benzynę o objętości 22 dm 3. Przy zasilaniu CNG, pojazd wyposażony w większe zbiorniki może przejechać w warunkach miejskich ok. 300 km. 42

Tabela 3.2. Dane techniczne samochodu Mercedes-Benz B200 NGD [63] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Mercedes Objętość skokowa [dm 3 ] 1991 Liczba cylindrów/układ Moc maksymalna [kw] Maksymalny moment obrotowy [Nm] Układ oczyszczania spalin 4/rzędowy 115 przy 5000 obr/min 270 przy 1250 4000 obr/min trójfunkcyjny reaktor katalityczny Norma emisji spalin Euro 6 Skrzynia biegów* Zbiorniki paliwa [dm 3 ] * wartości w nawiasie opcjonalne manualna, 6-stopniowa (automatyczna, dwusprzęgłowa, 7-stopniowa) zbiornik CNG: ok. 140 zbiornik benzyny: 12 Rys. 3.11. Samochód Fiat Doblo Natural Power [31] Tabela 3.3. Dane techniczne samochodu Fiat Doblo Natural Power [64] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Fiat Objętość skokowa [dm 3 ] 1,368 Liczba cylindrów/układ 4/rzędowy Moc maksymalna [kw] 88 przy 5000 obr/min Maksymalny moment obrotowy [Nm] 206 przy 2000 obr/min Układ oczyszczania spalin trójfunkcyjny reaktor katalityczny Norma emisji spalin Euro 5 Skrzynia biegów manualna, 6-stopniowa Zbiorniki paliwa [dm 3 ] zbiornik CNG: ok. 105 145; zbiornik benzyny: 22 Kolejnym co do wielkości pojazdem użytkowym z koncernu Fiata, napędzanym sprężonym gazem ziemnym jest Iveco Daily Natural Power. Widok jednej z odmian nadwoziowych tego pojazdu przedstawiono na rys. 3.12, natomiast dane techniczne 43

zostały zawarte w tab. 3.4. W opisywanym pojeździe zastosowano silnik spalinowy Iveco o objętości skokowej 3,0 dm 3. Silnik ten został przystosowany do wymogów normy emisji spalin EEV. Zbiorniki CNG o objętości ok. 250 dm 3 pomieszczą ok. 50 m 3, dzięki czemu dystans możliwy do przejechania na paliwie gazowym wynosi ok. 330 km [34]. Rys. 3.12. Samochód Iveco Daily Natural Power [32] Tabela 3.4. Dane techniczne samochodu Iveco Daily Natural Power [32] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Iveco Objętość skokowa [dm 3 ] 3,0 Liczba cylindrów/układ Moc maksymalna [kw] Maksymalny moment obrotowy [Nm] Układ oczyszczania spalin Norma emisji spalin Skrzynia biegów Zbiorniki paliwa [dm 3 ] 4/rzędowy 100 przy 1750 obr/min 350 przy 1500 2730 obr/min trójfunkcyjny reaktor katalityczny EEV manualna, 5-stopniowa zbiornik CNG: ok. 250 zbiornik benzyny: 14 Dopuszczalna masa całkowita [kg] 3500 7000 Do napędu przedstawionego na rys. 3.13 ciągnika siodłowego Iveco Stralis Natural Power, wykorzystano układ napędowy zasilany skroplonym gazem ziemnym LNG. Przechowywanie paliwa gazowego w fazie ciekłej wymaga specjalnych zbiorników (rys. 3.14), jednak pozwala uzyskać dużo większą gęstość energetyczną, dzięki czemu pojazd wykorzystujący do napędu takie paliwo cechuje większy zasięg, który według zapewnień producenta wynosi 750 km. W pojeździe zastosowano silnik Cursor Natural Power Euro 6, opracowany i wyprodukowany przez Fiat Powertrain Technologies. Moc maksymalna jednostki napędowej pojazdu Iveco Stralis Natural Poower wynosi 243 kw, natomiast wartość maksymalnego momentu obrotowego 1300 Nm. Dane techniczne charakteryzujące pojazd zawarto w tab. 3.5. 44

Rys. 3.13. Samochód Iveco Stralis Natural Power [32] Rys. 3.14. Zbiornik LNG oraz zbiorniki CNG pojazdu Iveco Stralis Natural Power [32] Tabela 3.5. Dane techniczne samochodu Iveco Stralis Natural Power [32] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Iveco Cursor 8 Objętość skokowa [dm 3 ] 8,9 Liczba cylindrów/układ Moc maksymalna [kw] Maksymalny moment obrotowy [Nm] Układ oczyszczania spalin Norma emisji spalin Skrzynia biegów Zbiorniki gazu [dm 3 ] 6/rzędowy 243 przy 1750 obr/min 1300 przy 1200 obr/min trójfunkcyjny reaktor katalityczny Euro VI manualna, 16-stopniowa zbiornik LNG: 525 zbiornik CNG: 4 x 70 Dopuszczalna masa całkowita* [kg] 40000 * masa pojazdu z naczepą Mercedes-Benz jako jeden z czołowych producentów pojazdów użytkowych w Europie ukierunkowany jest na nowoczesne podejście do produkcji pojazdów 45

dystrybucyjnych. W modelu Econic zastosowano szereg rozwiązań przyczyniających się do zwiększenia bezpieczeństwa oraz elementów konstrukcyjnych zwiększających potencjał użytkowy pojazdu. Występuje on w wielu odmianach nadwoziowych, jak np.: pojazd z zabudową skrzyniową, śmieciarka, itp. Również bardzo rozbudowany jest wybór układów napędowych, który obejmuje odmiany zasilane tradycyjnymi paliwami ciekłymi, oraz zasilanie paliwami alternatywnymi, jak gaz ziemny w postaci CNG. Pojazd zasilany paliwem LNG przedstawiono na rys. 3.15. Do napędu wykorzystano silnik ZI o objętości skokowej 6,9 dm 3 i mocy 205 kw, spełniającym normę emisji spalin Euro VI. Do przechowywania paliwa w stanie ciekłym, zastosowano zbiorniki kriogeniczne, w których paliwo magazynowane jest w temp. 163 C. Dzięki zastosowaniu paliwa w fazie ciekłej, według zapewnień producenta, paliwo potrzebne do przejechania 1000 km, można zatankować do zbiorników w 5 minut. Oznacza to, że pojazd ten charakteryzuje zasięg zbliżony do uzyskiwanego przez pojazdy zasilane tradycyjnymi paliwami płynnymi. Ponadto w porównaniu do napędu konwencjonalnego, zasilanie paliwem gazowym przyczynia się do zmniejszenia ilości hałasu emitowanego przez silnik spalinowy. Podstawowe dane techniczne pojazdu Mercedes-Benz Econic LNG zebrano w tab. 3.6. Rys. 3.15. Samochód Mercedes-Benz Econic LNG [33] Tabela 3.6. Dane techniczne samochodu Mercedes-Benz Econic LNG [69] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Mercedes M 906 LAG Objętość skokowa [dm 3 ] 6,9 Liczba cylindrów/układ 6/rzędowy Moc maksymalna [kw] 205 przy 2500 obr/min Maksymalny moment obrotowy [Nm] 1000 przy 1400 obr/min Układ oczyszczania spalin trójfunkcyjny reaktor katalityczny Norma emisji spalin Euro VI Skrzynia biegów automatyczna, Allison 46

Kolejnym przykładem pojazdów producenta Mercedes-Benz jest Econic, który jako paliwo wykorzystuje CNG, oznaczony symbolem NGT (Natural Gas Technology). Pojazd ten został zaprezentowany we wrześniu 2014 na wystawie pojazdów użytkowych w Hanowerze (rys. 3.16 3.17). Dzięki wdrożeniu do produkcji innowacyjnej konstrukcji, zbiorniki umieszczone są w przestrzeni wokół pojazdu, zapewniając zwiększenie możliwości magazynowania do objętość sięgającej 700 dm 3. Silnik opisywanego pojazdu jest produkcji firmy Mercedes-Benz oraz spełnia normę emisji spalin Euro VI (rys. 3.18). Zastosowanie doładowania, poprawia parametry użytkowe tej jednostki napędowej i one są porównywalne z parametrami silników ZS (tab. 3.7), jednak według zapewnień producenta poziom emisji CO 2 ma być niższy o ok. 20% w stosunku do silników zasilanych konwencjonalnymi paliwami. Rys. 3.16. Samochód Mercedes-Benz Econic NGT [63] Rys. 3.17. Zbiorniki CNG pojazdu Mercedes-Benz Econic NGT [63] 47

Tabela 3.7. Dane techniczne samochodu Mercedes-Benz Econic NGT [69] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Mercedes M 936 G Objętość skokowa [dm 3 ] 7,7 Liczba cylindrów/układ 6/rzędowy Moc maksymalna [kw] 222 przy 2000 obr/min Maksymalny moment obrotowy [Nm] 1200 przy 1200 1600 obr/min Układ oczyszczania spalin trójfunkcyjny reaktor katalityczny Norma emisji spalin Euro VI Skrzynia biegów automatyczna, 6-stopniowa: Allison Zbiorniki gazu [dm 3 ] 600 700 Dopuszczalna masa całkowita [kg] 18000 26000 Rys. 3.18. Silnik M 936 G zastosowany w pojeździe Mercedes-Benz Econic NGT [69] Firma Renault również posiada w swojej ofercie pojazd zasilany CNG, jest to model D Wide CNG (rys. 3.19). Opisywany pojazd jest typowym samochodem dystrybucyjnym, który dostępny jest w różnych konfiguracjach długości (rozstaw osi od 3,5 do 4,5 m) oraz układu jezdnego (4 x 2 lub 6 x 2). Podstawowe dane techniczne przedstawiono w tab. 3.8. Zastosowano w nim jednopaliwowy silnik ZI o objętości skokowej 9,0 dm 3, którego maksymalna moc wynosi 235 kw. W zależności wymagań nabywcy, pojazd może być wyposażony w 6 lub 8 zbiorników przystosowanych do magazynowania CNG o objętości do 100 dm 3, które można zatankować odpowiednio do 90 lub do 120 kg CNG. Trwałość użytkowania tych zbiorników określana jest na okres sięgający 20 lat ciągłej eksploatacji. W przypadku zastosowania większej liczby zbiorników, zasięg pojazdu może zwiększyć się do dystansu 400 km w warunkach użytkowania na terenach aglomeracji miejskich, co sprawia, że wszystkie parametry funkcjonalne tej kategorii użytkowej pojazdów nie odbiegają znacząco do pojazdów wykorzystujących do zasilania paliwo konwencjonalne. 48

Rys. 3.19. Samochód Renault D Wide CNG [34] Tabela 3.8. Dane techniczne samochodu Renault D Wide CNG [34] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Renault NGT9 Objętość skokowa [dm 3 ] 9,0 Liczba cylindrów/układ Moc maksymalna [kw] Maksymalny moment obrotowy [Nm] Układ oczyszczania spalin Norma emisji spalin 6/rzędowy 235 przy obr/min 1356 przy obr/min trójfunkcyjny reaktor katalityczny Euro VI Skrzynia biegów automatyczna: Allison 3200 Zbiorniki gazu* 6 x 100 dm 3 (8 x 100 dm 3 ) Dopuszczalna masa całkowita [kg] 19000 26000 * wartości w nawiasie - opcjonalne 3.3. Rozwiązania przeznaczone dla pojazdów komunikacji miejskiej Autobusy z serii Urbino są podstawowymi pojazdami drogowymi, przeznaczonymi do miejskiego transportu masowego w ofercie firmy Solaris Bus & Coach S.A. Dzięki aktywnej współpracy z jednostkami naukowo-badawczymi w ramach projektów badawczo rozwojowych, do pojazdów z serii Urbino opracowano kilka alternatywnych układów napędowych, w tym m.in. hybrydowy (szeregowy i równoległy), elektryczny oraz CNG. Wymienione powyżej układy napędowe pojazdów zostały wdrożone do produkcji seryjnej, a osiągnięty poziom innowacyjności sprawił, że producent stał się jednym z bardziej cenionych kontrahentów na rynku w dziedzinie rozwoju taborów wiodących aglomeracji miejskich Europie. Prezentowany pojazd Solaris Urbino CNG występuje w trzech długościach nadwozia: 12, 15 i 18 metrów. Na rysunkach 3.20 i 3.21, przedstawiono odmiany 12 i 15 metrowe. W autobusach Urbino CNG zastosowano silnik spalinowy firmy Cummins. Jest to jednostka sześciocylindrowa w układzie rzędowym o zapłonie iskrowym, wyposażona w turbodoładowanie. Moc maksymalna układu napędowego wynosi 239 kw i jest to wartość, która odpowiada najmocniejszym silnikom ZS, stosowanym w pojazdach Urbino. Typowe dla tego typu pojazdów jest umieszczenie zbiorników do gazu ziemnego na dachu pojazdu. Objętość zbiorników wynosi od 1284 do 1926 dm 3 i różni się w 49

zależności od długości pojazdu i wybranej przez kupującego konfiguracji. Szczegółowe dane techniczne omawianego autobusu, zamieszczono w tab. 3.9. Rys. 3.20. Autobus Solaris Urbino 12 CNG [34] Rys. 3.21. Autobus Solaris Urbino 15 CNG [64] Tabela 3.9. Dane techniczne autobusu Solaris Urbino CNG [30] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Cummins ISLG8.9E6 Objętość skokowa [dm 3 ] 8,9 Liczba cylindrów/układ 6/rzędowy Moc maksymalna [kw] 239 przy 2000 obr/min Maksymalny moment obrotowy [Nm] 1356 przy 1300 obr/min Układ oczyszczania spalin trójfunkcyjny reaktor katalityczny, DPF Norma emisji spalin EURO 5 Skrzynia biegów* automatyczna, 5-stopniowa: Voith Diwa 6 Zbiorniki gazu* butle kompozytowe 6 (7)/6 (7)/8 (9) x 214 dm 3 Długość pojazdu* [m] 12,00/14,59/18,00 Szerokość pojazdu [m] 2,55 Wysokość pojazdu [m] 3,40 Masa własna* [kg] 10400/12700/15500 Dopuszczalna masa całkowita* [kg] 18000/24000/28000 * dane dla autobusu 12/15/18 metrowego, wartości w nawiasie opcjonalne 50

Firma Mercedes-Benz w klasie autobusów miejskich oferuje pojazd z układem napędowym na sprężony gaz ziemny. Model Citaro CNG jest dostępny w dwóch długościach nadwozia: 12 i 18 m. Krótsza wersja nadwoziowa została przedstawiona na rys. 3.22. Silnik spalinowy, zastosowany przez firmę Mercedes-Benz w opisywanym pojeździe to konstrukcja własna tego przedsiębiorstwa. Opisywaną jednostkę napędową cechuje rzędowa budowa o sześciu cylindrach i objętości skokowej wynoszącej: 12 dm 3. Producent tego typu pojazdów przyjął odmienną strategię dotyczącą układów napędowych niż np. firma Solaris. W przypadku autobusów z serii Citaro wraz z długością nadwozia, zmianie ulega nie tylko objętość zbiorników na gaz ziemny, ale również parametry użytkowe jednostki napędowej (tab. 3.10). Rys. 3.22. Autobus Mercedes-Benz Citaro CNG [33] Tabela 3.10. Dane techniczne autobusu Mercedes-Benz Citaro CNG [33] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Mercedes M447hLAG Objętość skokowa [dm 3 ] 11,967 Liczba cylindrów/układ 6/rzędowy Moc maksymalna* [kw] 185/240 przy 2000 obr/min Maksymalny moment obrotowy* [Nm] 1050/1250 przy 1200 obr/min Układ oczyszczania spalin trójfunkcyjny reaktor katalityczny Norma emisji spalin EEV Skrzynia biegów automatyczna, 4-stopniowa: Voith Diwa 5 Zbiorniki gazu* 950/1140 dm 3 Długość pojazdu* [m] 11,95/17,94 Szerokość pojazdu [m] 2,55 Wysokość pojazdu [m] 3,39 Masa własna* [kg] 11000/21000 Dopuszczalna masa całkowita* [kg] 18000/28000 *dane dla autobusu 12/18 metrowego 51

Kolejnym przykładem pojazdów transportu zbiorowego jest seria autobusów ExquiCity produkcji konsorcjum tworzonego przez firmę Scania oraz Van Hool. Efektem współpracy tych przedsiębiorstw jest seria zaprojektowana z przeznaczeniem do obsługi systemów BRT. Autobus ten został zaprezentowany na Sztokholmskich targach Person Trafik w październiku 2014 r. Konstrukcja opisywanego pojazdu jest bardzo innowacyjna i została opracowana z myślą o różnych odmianach niskoemisyjnych napędów, jak np.: gazowy, hybrydowy, elektryczny, ogniwa paliwowe, itp. Producent przewidział dwa warianty długości nadwozia: 18 i 24 metry. Krótsza odmiana przedstawiono została na rys. 2.23. Silnik spalinowy, będący źródłem napędowym pojazdu ExquiCity został skonstruowany przez firmę Scania. Parametry autobusu napędzanego CNG w wersji o długości 18 m, przedstawiono w tab. 3.11. Rys. 3.23. Autobus Scania-Van Hool ExquiCity [35] Tabela 3.11. Dane techniczne samochodu Scania-Van Hool ExquiCity [35] Silnik spalinowy ZI, turbodoładowany, Scania DC9 Objętość skokowa [dm 3 ] 9,3 Liczba cylindrów/układ 5/rzędowy Moc maksymalna [kw] 235 Maksymalny moment obrotowy [Nm] 1500 Norma emisji spalin Euro VI Skrzynia biegów ZF Ecolife Zbiorniki gazu 1470 dm 3 Długość pojazdu [m] 18,61 Szerokość pojazdu [m] 2,55 Wysokość pojazdu [m] 3,20 Masa własna [kg] 20000 Dopuszczalna masa całkowita [kg] 28000 52

Obecnie technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że mogą konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. Doskonalenie konstrukcji pojazdów, zwiększenie ich zdolności przewozowych, ekologiczności i uniwersalności, przyczyniają się do coraz częstszego stosowania innowacyjnych rozwiązań w pojazdach o różnym przeznaczeniu. Aktualnie dla grupy pojazdów użytkowych (pojazdy ciężkie, w tym autobusy), jako alternatywa, najkorzystniejsze stało się obecnie wykorzystywanie gazu ziemnego. Analiza rynku pojazdów zasilanych CNG w Polsce i w Europie pozwala określić ilość eksploatowanych pojazdów przez operatorów komunikacyjnych. W Polsce na chwilę obecną eksploatowanych są 302 autobusy zasilane CNG. Dzięki istniejącej już infrastrukturze stacji tankowania wspomagających projekty transportowe, flotę autobusów CNG posiada już aktualnie 18 miast. 53

4. METODY BADAŃ EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Z AUTOBUSÓW MIEJSKICH 4.1. Badania homologacyjne Badania emisji zanieczyszczeń z grupy pojazdów ciężkich (wliczane są do nich autobusy miejskie tab. 4.1) o dopuszczalnej masie całkowitej przekraczającej 2610 kg przeprowadzane są na hamowni silnikowej. W tym przypadku badany jest wyłącznie sam silnik wraz z osprzętem i układem oczyszczania spalin. Kategoria pojazdu M2 małe autobusy M3 autobusy N2 średnie pojazdy samochodowe do przewozu ładunków N3 ciężkie pojazdy samochodowe do przewozu ładunków Tabela 4.1. Kategorie pojazdów ciężkich [41] Wyszczególnienie pojazdy do przewozu osób o liczbie miejsc większej niż 9 i masie maksymalnej nie większej niż 5000 kg pojazdy do przewozu osób o liczbie miejsc większej niż 9 i masie maksymalnej większej niż 5000 kg pojazdy do przewozu ładunków, o masie maksymalnej (MM): 3500 kg < MM 12 000 kg pojazdy do przewozu ładunków, o masie maksymalnej większej niż 12 000 kg Przed wprowadzeniem obowiązującej normy emisji Euro 6 badania pojazdów HDV wykonywano w trzech testach silnikowych: statycznym ESC (European Stationary Cycle), dynamicznym ETC (European Transient Cycle) oraz zaczernienia spalin ELR (European Load Response). Test ESC przeprowadzany jest według schematu przedstawionego na rys. 4.1. Ustabilizowanie punktu pracy odbywa się w pierwszych 20 sekundach fazy. Dopuszczalny błąd prędkości obrotowej dla punktu pomiarowego wynosi ±50 obr/min, momentu obrotowego ±2% M o max dla badanej prędkości obrotowej. Czas pracy silnika w poszczególnych punktach pomiarowych (fazach) wynosi dwie minuty (wyjątek stanowi pierwsza faza 4 minuty), a więc cały test trwa 28 minut. Prędkości obrotowe są zdefiniowane następująco na podstawie charakterystyki pełnej mocy: prędkość obrotowa maksymalna (n max ) po przekroczeniu mocy maksymalnej, gdy silnik uzyskuje 70% N e max, prędkość obrotowa minimalna (n min ) silnik uzyskuje 50% N e max, poszczególne prędkości obrotowe faz A, B, C oblicza się z zależności: A n B n C n min min min 0,25 (n 0,50 (n 0,75 (n max max max n n n min min min ) ) ) (4.1) Wraz z testem ESC przeprowadzany jest test ELR (rys. 4.2). Pomiary wykonywane są przy trzech prędkościach obrotowych silnika, które wyznaczane są podobnie jak w 54

teście ESC. Wartość współczynnika absorpcji (k) w teście określa się na podstawie formuły obliczeniowej: k 0,43 k A 0,56 k B 0,01 k C, (4.2) gdzie: k A, k B, k C współczynniki absorpcji [m 1 ] w punktach pomiarowych. 8% 9% 8% 100 2 8 10 Moc maksymalna N e max Obciążenie [%] 75 50 25 0 1 15% Bieg luzem 5% 6 5% 10% 4 12 0 5% 10% 5% 5 3 13 0 10% 5% 5% 7 9 11 0 A B C 50 75 100 Prędkość obrotowa [%] 100% Ne [%] 50% N e max 30% N e max A B C 25% 50% 75% n min 100% n max Rozpatrywany zakres prędkości prędkość Rys. 4.1. Schemat testu ESC [41] pomiar 1 pomiar 2 pomiar 3 Prędkość obrotowa [%] C B A 0 70 s 70 s 70 s 70 s 10 s 20 s 100 Obciążenie [%] 10 20 s 340 s t Rys. 4.2. Schemat testu ELR [41] 55

Test ETC jest określany przez prędkość obrotową silnika i moment obrotowy w funkcji czasu. Czas trwania wynosi 1800 s i składa się z trzech podstawowych części (rys. 4.3): jazda miejska z maksymalną prędkością 50 km/h (obejmująca prace silnika na biegu jałowym, ruszanie oraz zatrzymywanie), jazda pozamiejska ze średnią prędkością 72 km/h, jazda autostradowa ze średnią prędkością 88 km/h. Cykl ETC może być również wykonywany na hamowni podwoziowej, gdzie badany jest cały pojazd. Pojazd realizuje profil prędkości wyrażony funkcją v = f(t) i składa się z trzech części, podobnie jak w przypadku testu wykonywanego na hamowni silnikowej (rys. 4.4) Rys. 4.3. Przebieg testu ETC realizowany na hamowni silnikowej [59] Cykl miejski Cykl pozamiejski Cykl autostradowy Rys. 4.4. Przebieg testu ETC realizowanego na hamowni podwoziowej [41] 56

Wprowadzeniu normy Euro VI dla pojazdów ciężkich wiązało się nie tylko ze zmianami limitów związków toksycznych, ale również z wprowadzeniem dwóch nowych testów WHSC (World Harmonized Stationary Cycle) i WHTC (World Harmonized Transient Cycle). Testy te są ujednolicone dla całego świata i są pierwszym krokiem w standaryzacji testów badawczych dla wszystkich kategorii pojazdów. Test WHSC jest modyfikacją europejskiego testu ESC, składa się również z 13 faz (rys. 4.5). Zasadniczą różnicą między tymi testami jest to, że w WHSC występuje 5 zakresów prędkości obrotowej wału korbowego silnika, a w ESC występowały 3. Zachowana została natomiast formuła 4 zakresów obciążenia, jednak zmieniono jeden zakres zamiast 75% przyjęto 70%. Zmianie uległ także sposób wykonywania pomiarów. W teście WHSC zmierzoną emisję gromadzi się w workach z całego testu, wraz z uwzględnieniem przejść między punktami. Ustawodawca zastrzegł jednak, że przejścia muszą się odbywać przy stałych wzroście parametrów w czasie nie przekraczającym 20 s. W związku z tym udział poszczególnych faz testu jest pomijany w kalkulacji emisji jednostkowej. Podawanie wartości udziałów faz ma wyłącznie wymiar poglądowy. 100 5 2% 2% 2 10 2% Obciążenie [%] 70 50 3% 7 8% 11 8% 10% 6% 3% 4 5% 9 10% 25 6 12 8 3 17/2% 24% 1/13 0 Hamowanie silnikiem 25 35 45 55 75 100 Prędkość obrotowa [%] Rys. 4.5. Schemat testu WHSC [41] Test WHTC (rys. 4.6) charakteryzuje się pomiarem wartości prędkości i momentu obrotowego w wielu punktach pracy. Czas jego trwania wynosi 1800 s. Bieżąca wartość prędkości obrotowej w teście jest obliczana na podstawie formuły: n n norm (0,6n LOW 0,2n HIGH 0,2n PREF n IDLE )/0,5363 n IDLE (4.3) gdzie: n norm znormalizowana wartość prędkości obrotowej wału korbowego w teście; n LOW niższa z prędkości obrotowych wału korbowego silnika, przy której występuje 55% maksymalnej mocy silnika; 57

n HIGH wyższa z prędkości obrotowych wału korbowego silnika, przy której występuje 70% maksymalnej mocy silnika; n PREF minimalna prędkość obrotowa wału korbowego silnika, przy której występuje moment maksymalny. Moment obrotowy określany na podstawie wzoru: M 100(M NORM /M MAX gdzie: M NORM znormalizowana wartość momentu obrotowego, M MAX maksymalna wartość momentu obrotowego silnika. ) (4.4) 100 Moment obrotowy [%] 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 Prędkość obrotowa [%] 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 t [s] Rys. 4.6. Schemat testu WHTC [41] Wprowadzenie normy emisji Euro VI związane było również ze zmianą limitów związków toksycznych oraz objęciem limitów nowych związków, do których należy zaliczyć stężenie NH 3 oraz liczbę cząstek stałych PN (tab. 4.2). Wprowadzenie limitu stężenia NH 3 wynika z jego wtórnej emisji z układu SCR. Natomiast PN związane z procesem regeneracji filtrów cząstek stałych DPF, w wyniku którego maleje masa cząstek stałych, a wrasta ich liczba. Tabela 4.2. Limity związków toksycznych w normie Euro VI [41] Rodzaj testu Silnik CO HC NMHC CH 4 NO x NH 3 PM PN [mg/(kw h)] [ppm] [g/(kw h)] [#/kw h] WHSC ZS 1500 130 400 10 10 8,0 x 10 11 WHTC ZS 4000 160 460 10 10 6,0 x 10 11 WHTC ZI 4000 160 500 460 10 10 58

4.2. Badania w testach jezdnych Oprócz badań homologacyjnych, gdzie badana jest emisja zanieczyszczeń z silnika autobusu wraz z układem oczyszczania gazów wylotowych na silnikowym stanowisku hamulcowym, wykonywane są również badania całych pojazdów na hamowni podwoziowej lub w warunkach drogowych [41]. Opracowanie tego typu pomiarów ma swoje źródło w konieczności oceny energochłonności tej grupy pojazdów w warunkach drogowych. W przypadku autobusów miejskich miarą energochłonności układu napędowego jest przebiegowe zużycie paliwa. Właśnie zużycie paliwa stanowi główny koszt eksploatacyjny dla danego operatora komunikacyjnego. W związku z tym należało opracować metody jego dokładnej oceny w warunkach charakteryzujących ruch drogowy dla danej aglomeracji miejskiej. Zmienna prędkość pojazdu samochodowego wynika przede wszystkich z konieczności dostosowania jego profilu prędkości do warunków drogowych, które są zależne od infrastruktury drogowej oraz potoku poruszających się po niej pojazdów. W pracy [59] uwidoczniono, że profil prędkości samochodu, przebywającego odpowiednio długi odcinek drogi, charakteryzują powtarzające się okresowo (w sposób nieregularny) moduły, obejmujące rozpędzanie, odcinki jazdy ze stałą prędkością, zwalnianie oraz hamowanie. Profile prędkości każdego z modułów różnią się czasem trwania poszczególnych faz ruchu, a także zakresem i intensywnością zmiany prędkości. W ruchu miejskim moduły te są z reguły krótkie i oddzielone okresami postoju. W literaturze cykl jezdny określany jest jako profil ruchu pojazdu zdefiniowany funkcją zmiany prędkości pojazdu V = f(t), funkcją zmiany prędkości obrotowej wału korbowego silnika spalinowego n = f(t) i zmianą obciążenia silnika M = f(t) [54]. Profil ruchu może być również określony w postaci zmian mocy N k = f(t) lub momentu M k = f(t) na kołach jezdnych w funkcji czasu. Powtarzalne cykle jezdne stanowią podstawę analizy energetycznej pojazdu. Cykle V = f(t) nie są bezpośrednio związane z rodzajem pojazdu, ale odnoszą się do warunków ruchu w danej aglomeracji miejskiej. Natomiast cykle N k = f(t) oraz M k = f(t) zawierają już dane szczególne dla określonego pojazdu. Dla cykli w postaci V = f(t) wprowadzono następujące definicje cykli [59]: cykl statystyczny zlinearyzowany rozkład prędkości w czasie uzyskany metodami statystyki, który obrazuje średnie warunki jazdy w mieście w postaci hamowań i postojów uwzględniający w dużym zakresie właściwości komunikacyjne danej aglomeracji; cykl rzeczywisty rozkład prędkości w czasie dla danego pojazdu poruszającego się cyklicznie po wcześniej ustalonej trasie; cykl prosty jazdy rozkład prędkości w czasie dla ruchu przyspieszonego, ustalonego i opóźnionego, przy czym przyspieszenie i opóźnienie jest stałe i równe sobie co do wartości bezwzględnej; cykl zastępczy, reprezentatywny cykl prosty uzyskany przez analizę rzeczywistego cyklu jezdnego. Ze względu na profil prędkości cykle jezdne możemy podzielić na [54]: o trapezowe, o trójkątne, 59

o złożone wielosegmentowe: o trapezowe, o mieszane. Na rysunku 4.7 przedstawiono przykładowy schemat cyklu jezdnego. N k moc pędna, N a moc oporów bezwładności, N p moc oporów powietrza, N t moc oporów toczenia, Ñ moc średnia cyklu, t a czas, po którym moc pędna przewyższy moc średnią cyklu, t b czas rozpoczęcia ruchu jednostajnie opóźnionego, t c czas trwania cyklu, E 1 energia, którą silnik cieplny wytwarza w nadmiarze i może być ona akumulowana, E 2 energia niezbędna dla uzyskania V = const z żądanym przyspieszeniem, wydatkowana z akumulatora, E 3 energia w wyniku hamowania odzyskowego przesyłana od kół jezdnych do akumulatora, z mocą zależną od energii kinetycznej pojazdu i opóźnień ruchu (rekuperacja energii). Rys. 4.7. Ilustracja cyklu jezdnego opisanego funkcją: a) V = (t), b) N = f(t) [59] Na podstawie rejestracji parametrów ruchu pojazdu (prędkość i przyspieszenie) opracowano szereg cykli reprezentatywnych dla danych aglomeracji miejskich zarówno europejskich, jak i światowych. W Europie pierwszym powszechnie wykorzystywanym cyklem jezdnym do badań pojazdów komunikacji miejskiej jest Braunschweig Cycle (rys. 4.8). Cykl ten opracowano na Uniwersytecie Technicznym w Braunschweigu i zakłada on odwzorowanie ruchu pojazdu w warunkach rzeczywistych z częstymi przystankami. Zaliczany jest do grupy wymagających cykli jezdnych i wykorzystywany jest w wielu projektach naukowo-badawczych. Cykl Braunschweig cechują następujące założenia [21]: czas trwania: 1740 s, średnia prędkość pojazdu: 22,9 km/h, prędkość maksymalna pojazdu: 58,2 km/h, udział biegu jałowego w teście wynosi 22% (pierwszy i ostatni segment nie zawierają udziału biegu jałowego), droga: 11 km. Kolejnym przykładem cyklu jezdnego dla autobusów miejskich jest BP Bus Cycle opracowany przez brytyjskie przedsiębiorstwo naftowe British Petroleum (rys. 4.9). 60

Rys. 4.8. Przebieg testu jezdnego Braunschweig Cycle jako funkcja czasu V = f(t) [41] Jego przebieg jest odmienny niż pozostałych znormalizowanych testów jezdnych nie składa się z powtarzalnych segmentów oraz nie stanowi on odzwierciedlenia typowych warunków jazdy autobusów miejskich. W teście tym wyróżnić można trzy fazy postoju pojazdu. Pozostałą cześć testu stanowią fazy przyspieszenia i opóźnienia, które w danym segmencie przyjmują stałe wartości. W teście tym nie występuje faza jazdy ze stałą prędkością. Odtworzenie przebiegu testu BP Bus Cycle w warunkach rzeczywistych może być znacząco utrudnione i należałoby przyjąć duże pole tolerancji prędkości, które może powodować rozrzut wyników. Wpłynie to negatywnie na zapewnienie powtarzalności pomiarów. BP Bus Cycle cechują następujące parametry: czas trwania: 903 s, średnia prędkość pojazdu: 22,2 km/h, prędkość maksymalna pojazdu: 59 km/h, średnie przyspieszenie pojazdu: 0,086 m/s 2, średnie opóźnienie pojazdu: 0,33 m/s 2, droga:5,6 km. Rys. 4.9. Przebieg testu jezdnego BP Bus Cycle opisany funkcją V = f(t) [41] 61

Następną grupą testów jezdnych wykorzystywanych do badań autobusów miejskich w Europie są Helsinki Drive Cycles opracowane przez VTT RTE [20]. Założeniem tych testów jest odwzorowanie różnych warunków ruchu drogowego w Helsinkach. W związku z tym wyróżniono trzy typy testów (rys. 4.10): Helsinki 1, Helsinki 2, Helsinki 3. a) b) c) Rys. 4.10. Przebieg testów jezdnych Helsinki Drive Cycle: a) Helsinki 1, b) Helsinki 2, c) Helsinki 3 [41] W Stanach Zjednoczonych do badań przebiegowego zużycia paliwa oraz emisji spalin pojazdów użytkowych wykorzystuje się głównie trzy cykle jezdne: New York Bus Cycle, Manhattan Bus Cycle oraz Orange Country Bus Cycle. Cykl New York Bus Cycle odzwierciedla rzeczywisty profil prędkości autobusów poruszających się po Nowym Jorku częste przystanki, zmienne wartości prędkości (rys. 4.11). Rys. 4.11. Przebieg testu jezdnego New York Bus Cycle jako funkcja czasu V = f(t) [41] 62

Poniżej przedstawiono wybrane parametry cyklu jezdnego [41]: czas trwania testu: 600 s, średnia prędkość pojazdu:5,9 km/h (3,7 mph), średnia prędkość pojazdu bez przystanków: 17,1 km/h (10,6 mph), prędkość maksymalna pojazdu: 49,6 km/h (30,8 mph), maksymalne przyspieszenie pojazdu: 2,7 m/s 2, średnie przyspieszenie pojazdu: 1,1 m/s 2, droga: 0,9 km, liczba przystanków: 11. Manhattan Bus Cycle wyznaczono na podstawie rzeczywistych profili prędkości autobusów poruszających po dzielnicy Nowego Jorku Manhattanie (rys. 4.12). Poniżej przedstawiono wybrane parametry testu [64]: czas trwania 1089 s, prędkość maksymalna 40,9 km/h (25,4 mph), średnia prędkość: 11 km/h (6,8 mph), droga: 3,3 km. Rys. 4.12. Przebieg testu jezdnego Manhattan Bus Cycle jako funkcja czasu V = f(t) [41] Przedstawione testy jezdne do badania autobusów miejskich są najpowszechniej wykorzystywane na świecie. Oprócz tych testów wyróżnić można szereg innych (tab. 4.3). W zaprezentowanych cyklach badany jest cały pojazd na specjalnej hamowni podwoziowej przeznaczonej do badań pojazdów ciężkich (rys. 4.13). Jako przykład takiego rozwiązania można przedstawić hamownię podwoziową AVL ROADSIM 72" MIM TRUCK Chassis Dynamometer austriackiej firmy AVL GmbH (rys. 4.13a). Na stanowisku tym badaniom mogą być poddawane pojazdy o mocy maksymalnej 450 kw, rozwijające prędkość nie przekraczającą 160 km/h. Maksymalny nacisk na oś takiego pojazdu wynosi 20 000 kg. Średnica rolki tej hamowni wynosi ~1,8 m, a jej szerokość 0,9 m. Odległość między zewnętrznymi krawędziami rolek wynosi 3,0 m [29]. Ze względu na złożoność oraz duży koszt budowy i eksploatacji hamowni podwoziowych przeznaczonych do badań pojazdów HDV ich liczba na świecie jest niewielka w porównaniu do hamowni dedykowanych dla pojazdów PC i LDV. Był to jeden z czynników ograniczających ocenę przebiegowego zużycia paliwa w warunkach 63

ruchu miejskiego, bądź w cyklach odwzorowujących ruch w głównych aglomeracjach miejskich. Zużycie paliwa jest podstawowym kosztem dla operatorów komunikacyjnych i dlatego przy zakupie nowych autobusów jest jednym z głównych parametrów decydujących o wyborze konfiguracji pojazdu dostosowanie silnika spalinowego do warunków ruchu w aspekcie zapewnienia maksymalnej efektywności przewozów. Tabela 4.3. Charakterystyka testów jezdnych wykorzystywanych do badań autobusów komunikacji miejskiej Cykl Czas trwania [s] Dystans [km] Średnia prędkość Udział postoju pojazdu [%] Zatrzymania na kilometr drogi [1/km] [km/h] Europejskie Braunschweig 1740 10,9 22,6 16,55 2,39 BP Bus Cycle 903 5,6 22,2 12,85 0,54 ADEME-RATP 1897 5,7 10,7 33,00 7,52 Helsinki Drive Cycle 1062 7,5 25,5 25,00 1,99 TNO Bus Cycle 898 5,3 21,0 21,38 2,67 Millbrook Westminister London 901 2,5 10,0 31,19 9,17 Bus: inner London Millbrook Westminister London 1380 6,5 16,9 22,25 3,71 Bus: outer London Światowe New York Bus 600 1,0 6,0 54,67 11,05 Manhattan Bus Cycle 1089 3,3 11,0 27,09 6,30 Orange Country Bus Cycle 1909 10,5 19,9 16,61 3,04 a) b) Rys. 4.13 Hamownia podwoziowa przeznaczona do badania pojazdów kategorii HDV: a) ciągnik siodłowy, b) autobus miejski W związku z tym wiele przedsiębiorstw komunikacji miejskiej opracowało własne testy jezdne do oceny przebiegowego zużycia paliwa. Przytoczyć tutaj można jako przykład cykl Częstochowski, Warszawski, Wrocławski czy Poznański. Mają one charakter złożonych, powtarzalnych trapezowych profili prędkości. Badany pojazd musi uzyskać profil określony w danym cyklu, aby przejazd uznać za ważny. Dopuszczalne 64

są pewne odchyłki, ale muszą one zawierać się w granicach błędu statystycznego. Podczas przejazdu pojazdu mierzone jest zużycie paliwa. Różnorodność cykli utrudnia w dużym stopniu procedury przetargowe, ponieważ producent dla tego samego typu autobusu musi wykonywać wiele pomiarów zużycia paliwa w różnych cyklach w zależności od danej aglomeracji. Konieczne zatem było opracowanie utylitarnych procedur dedykowanych do badania autobusów miejskich w warunkach drogowych, które będą stanowiły reprezentację warunków ruchu głównych europejskich aglomeracji. UITP (International Association of Public Transport) wyszło naprzeciw oczekiwaniom i opracowało testy jezdne SORT (Standardised On-Road Test Cycles). Podstawową ideą testów tych jest możliwość zbudowania wielomodułowego testu składającego z podstawowych cykli, które odzwierciedlają warunki ruchu w danym mieście. Kluczowymi parametrami decydującym o przydatności testów jezdnych jest ich powtarzalność, prostota i dokładność. Dlatego też zaproponowane testy jezdne SORT składają się z długich cykli, a te z powtarzalnych modułów, dzięki czemu kierowca testowy po ustabilizowania stylu jazdy jest w stanie osiągnąć dużą powtarzalność przejazdów. Podstawowy moduł cyklu opisany jest przez średnią prędkość jazdy, długość trasy i czas pokonywania przejazdu. Parametry te tworzą profil prędkości charakterystyczny dla danej trasy z uwzględnieniem zatrzymywania się na przystankach i na światłach, ruszania z przystanku oraz jazdy ze stałą prędkością. Struktura kompletnego cyklu (rys. 4.14) powinna się składać z: liczby profili prędkości, liczby cykli podstawowych, wartości przyspieszenia, wartości opóźnienia (hamowania), prędkości maksymalnej, czasu postoju na przystankach. Rys. 4.14. Struktura kompletnego cyklu jezdnego według założeń przyjętych przez UITP przy opracowywaniu testów jezdnych SORT [12] 65

Specjaliści z UITP założyli, że cykl podstawowy będzie miał charakter trapezu składającego się z 4 części (rys. 4.15). Pierwsza z nich (1 2) obejmuje rozruch pojazdu i jego przyspieszanie, aż do osiągnięcia stałej prędkości jazdy (2). Następnie pojazd po przejechaniu określonego dystansu ze stałą prędkością rozpocznie hamowanie (3 4) do całkowitego zatrzymania pojazdu, po czym nastąpi krótki postój. Przyjęto, że we wszystkich przypadkach wartość opóźnienia pojazdu będzie wynosić 0,8 m/s 2. Taki profil prędkości ma zadanie odwzorowywać przejazd autobusu między kolejnymi zatrzymaniami (przystanki lub węzły komunikacyjne). Rys. 4.15. Pojedynczy profil prędkości wykorzystywany do budowy kompletnego cyklu jezdnego [6] Przy opracowaniu kompletnych cykli jezdnych SORT przeprowadzono szereg pomiarów mających na celu zdefiniowanie warunków ruchu w europejskich miastach zróżnicowanych w aspekcie liczby ludności, struktury infrastruktury drogowej oraz gęstości sieci komunikacyjnej. Badania przeprowadzone przez UITP wykazały, że warunki eksploatacji autobusów miejskich można podzielić na trasy miejskie i pozamiejskie (rys. 4.16). Przyjęto, że średnia prędkość autobusu w miastach nie przekracza 17 km/h, a na trasach podmiejskich wynosi 27 km/h. Rys. 4.16. Podział tras eksploatacji autobusów na miejskie i pozamiejskie [45] Po przeprowadzeniu badań weryfikacyjnych UITP ustaliła, że najlepszym rozwiązaniem jest zaproponowanie trzech typów testów (rys. 4.17), których charakterystyka jest przedstawiona w tabeli 4.4: SORT 1 Heavy Urban (odzwierciedlający warunki eksploatacji w centrum 66

dużych miast), SORT 2 Easy Urban (odzwierciedlający warunki eksploatacji występujące dla typowej trasy miejskiej), SORT 3 Suburban (odzwierciedlający warunki eksploatacji autobusów komunikacji zbiorowej na przedmieściach dużych miast i na trasach wewnętrznych mniejszych miast). a) b) c) Rys. 4.17. Profile prędkości testów jezdnych SORT: a) SORT 1, b) SORT 2, b) SORT 3 [55] Wykonanie pomiarów w testach jezdnych SORT wymaga spełnienia wielu wymagań określonych z metodyce opublikowanej przez UITP. Odcinek pomiarowy powinien być prostoliniowy, umożliwiający wykonanie pełnego cyklu, i płaski (maksymalne dopuszczalne nachylenie wynosi 1,5%). Nawierzchnia powinna być sucha i dobrej jakości. Pomiary powinny być wykonane w temperaturze zawierającej się przedziale 0 30 o C przy wilgotności względnej nie przekraczającej 95%. Prędkość wiatru podczas badań nie powinna przekraczać 3 m/s, przy czym dopuszczalne jest w porywach do 8 m/s. Obiekt badawczy powinien być sprawny technicznie oraz płyny eksploatacyjne powinny być uzupełnione do poziomu nominalnego. Podobnie w przypadku ciśnienia w ogumieniu. Pojazd należy obciążyć symulującym rzeczywistą eksploatację ładunkiem. Podczas wykonywania pomiarów układy klimatyzacji i ogrzewania oraz oświetlenie wewnętrzne pojazdu muszą być wyłączone. Drzwi powinny być otwierane przy ostatnim postoju. Podstawowym wymaganiem jest wykonywanie pomiarów w obu kierunkach na tym samym odcinku, co pozwala zminimalizować wpływ niektórych czynników na wynik 67

pomiarów (np. wiatru, ewentualnego nachylenia drogi). Ponadto wymagane jest przeprowadzanie pomiarów bezpośrednio po sobie, co pozwala utrzymać odpowiedni stan cieplny układu napędowego i jezdnego. Tabela 4.4. Charakterystyka testów jezdnych SORT [55] SORT 1 SORT 2 SORT 3 Prędkość średnia[km/h] 12,6 18,6 26,3 Udział postoju w teście [%] 39,7 33,4 20,1 Prędkość stała w profilu 1 [km/h]/[m] 20/100 20/100 30/200 Przyspieszenie w profilu 1 [m/s 2 ] 1,03 1,03 0,77 Prędkość stała w profilu 2[km/h]/[m] 20/200 40/220 50/600 Przyspieszenie w profilu 2 [m/s 2 ] 0,77 0,62 0,57 Prędkość stała w profilu 3 [km/h]/[m] 40/220 50/600 60/650 Przyspieszenie w profilu 3 [m/s 2 ] 0,62 0,57 0,46 Czas postoju po każdym profilu [s] 20/20/20 20/20/20 20/10/10 Droga pokonywana w teście [m] 520 920 1450 Opóźnienie w profilach prędkości [m/s 2 ] 0,8 0,8 0,8 Wszystkie wymienione powyżej parametry oraz dane identyfikacyjne badanego autobusu muszą zostać odnotowane w sprawozdaniu z badań. Procedura SORT rekomenduje metodykę polegającą na odmierzeniu odcinków drogi dla danego cyklu bazowego, poprzez ustawienie pachołków wyznaczających miejsce zmiany faz ruchu. W ramach każdej z sekcji należy oznaczyć punkty: przejścia z fazy przyspieszania do fazy prędkości stałej, przejścia z fazy prędkości stałej do fazy hamowania i zatrzymania. Realizacja pomiarów według tej metodyki wymaga wielu przejazdów dla uzyskania właściwej techniki jazdy przez kierowcę. Metodyka SORT zakłada również sposób obliczania reprezentatywnej wartości średniej z serii pomiarów zużycia paliwa. Procedura ta składa się z: uszeregowanie wyników zużycia paliwa, uzyskanych dla danego kierunku ruchu w porządku rosnącym, selekcję reprezentatywnej grupy pomiarów poprzez obliczenie względnych różnic dla każdej kolejnej grupy trzech pomiarów według zależności: x i 2 i xi x i 100% (4.5) wybór grupy trzech kolejnych pomiarów dla danego kierunku ruchu o najmniejszej względnej różnicy δ (zalecane δ < 2), obliczanie średniej arytmetycznej z wybranych dwóch grup pomiarów, po jednej dla każdego kierunku ruchu. W praktyce zastosowanie powyższej procedury oznacza zazwyczaj konieczność wykonania większej liczby przejazdów pomiarowych. W pierwszej kolejności, z otrzymanych wyników zostają odrzucone przejazdy o niewłaściwym profilu prędkości. W następnym kroku wyniki zużycia paliwa z pozostałych przejazdów (uznanych za 68

prawidłowe) są klasyfikowane wg opisanej wyżej metody. Kolejnym etapem opracowania wyników badań jest skorygowanie wyników ze względu na temperaturę paliwa, według zależności: C r C 1 t o t p (4.6) gdzie: C r C α t o t p zużycie paliwa skorygowane [dm 3 /100 km], zużycie paliwa zmierzone [dm 3 /100 km], współczynnik rozszerzalności objętościowej paliwa, temperatura odniesienia wynosząca 20ºC, temperatura paliwa w trakcie pomiarów [ºC]. Ostatecznie, wynik zużycia paliwa dla danego cyklu bazowego jest obliczany jako średnia arytmetyczna z wartości zredukowanych (po 3 w każdym kierunku), z jednoczesnym wskazaniem niepewności pomiaru. Wyniki badań realizowanych w warunkach laboratoryjnych mogą znacznie różnić się od rzeczywistej emisyjności pojazdu. Dla pojazdów HDV, ze względu na ich gabaryty oraz generowane moce przez silniki spalinowe, a także koszty, pomiary wykonuje się jedynie dla samych jednostek spalinowych na stanowiskach badawczych. Nadchodzące zmiany w przepisach odnoszących się do emisji, w szczególności dla grupy pojazdów HDV, uwidaczniają, że niezbędne staje się podejmowanie tematyki pomiarów wykonywanych w warunkach rzeczywistej eksploatacji (RDE). Prace nad tymi procedurami trwają obecnie i planowane jest ich włączone do procedur legislacyjnych w 2017 roku. Opracowywane procedury zgodności emisyjnej w warunkach drogowych należy dostosowywać do przeznaczenia pojazdu w zastępczych cyklach jezdnych, które w dokładny sposób będą charakteryzowały warunki w ruchu miejskim ponieważ w zależności od przeznaczenia silniki spalinowe tych pojazdów pracują przy różnych parametrach. Wykonując tego typu badaniach nieodzowne staje się wykorzystywanie nowoczesnej aparatury mobilnej typu PEMS, która niesie za sobą szereg nowych możliwości związanych z analizą wskaźników ekologicznych. 69

5. METODYKA BADAŃ WŁASNYCH 5.1. Harmonogram badań Pomiary emisji zanieczyszczeń wykonano w testach jezdnych SORT oraz w warunkach rzeczywistej eksploatacji (tab. 5.1). Testy SORT stanowią uniwersalną metodę oceny przebiegowego zużycia paliwa wykorzystywaną przez operatorów komunikacyjnych. Są one zbudowane segmentowo i stanowią reprezentację trzech typów warunków ruchu ścisłe centrum, trasy miejskie oraz podmiejskie. Szczegółowy ich opis przedstawiono w rozdziale 4.2. Na potrzeby niniejszej pracy pomiary emisji zanieczyszczeń z autobusów komunikacji miejskiej zasilanych ON i CNG, przy wykorzystaniu mobilnej aparatury z grupy PEMS, wykonano w testach SORT 1, SORT 2 i SORT 3. W każdym teście wykonano trzy próby pomiarowe. Umożliwiło to wyeliminowanie ewentualnych błędów oraz wykazanie powtarzalności przejazdów. Tabela 5.1. Charakterystyka przeprowadzonych pomiarów Lp. Obiekt badawczy Cykl pomiarowy Liczba prób 1. SORT 1 3 2. SORT 2 3 3. autobus zasilany ON SORT 3 3 4. Trasa miejska 1 4 5. Trasa miejska 2 4 6. SORT 1 3 7. SORT 2 3 8. autobus zasilany CNG SORT 3 3 9. Trasa miejska 1 4 10. Trasa miejska 2 4 Oprócz badań przeprowadzonych w testach jezdnych SORT pomiary wykonano na dwóch trasa badawczych: trasa miejska i podmiejska. Stanowiły one regularne linie kursowania autobusów miejskich obsługiwanych przez poznańskiego operatora komunikacyjnego. Wybór tras badawczych podyktowany był odwzorowaniem rzeczywistych warunków eksploatacji autobusów miejskich dla typowej aglomeracji miejskiej, w której rozwinięta jest sieć komunikacyjna. Trasa miejska 1 przebiegała między osiedlem Sobieskiego, a pętlą autobusową Dębina w Poznaniu (rys 5.1a). Była to linia 76, sklasyfikowana przez Miejskie Przedsiębiorstwo Komunikacyjne jako jedna z najbardziej obciążonych w aspekcie długości, przebiegu oraz liczby przewożonych pasażerów. Jej długość wynosiła 16 km i posiadała 43 przystanki. Zróżnicowany przebieg linii 76 (główne arterie komunikacyjne, drogi osiedlowe oraz ścisłe centrum) warunkuje dużą zmienność przyspieszeń oraz udział kongestii drogowych, co umożliwia analizę emisji zanieczyszczeń w szerokim zakresie. Drugą trasą wybraną do badań była linia autobusowa 98, której długość i liczba przystanków są mniejsze niż w przypadku linii 76 (rys. 5.1b). Jest to jednak trasa o dużej liczbie przewożonych pasażerów, ponieważ jest to linia przebiegają przez jeden z głównych kampusów uniwersyteckich w Poznaniu, do którego dojazd komunikacją miejską odbywa się wyłącznie przy wykorzystaniu taboru samochodowego. Jej długość wynosiła 5 km. Na 70

każdej z tras badawczych wykonano cztery pomiary: po dwa w każdą stronę linii autobusowej. Pomiary w testach jezdnych SORT oraz na trasach miejskich wykonywane były przy zastosowaniu jednego operatora użytkowanego pojazdu. Miało to na celu zachowanie powtarzalności przejazdów oraz stylu jazdy. Badania na trasach miejskich wykonano w roboczy dzień tygodnia, w godzinach przedpołudniowych. Przejazdy realizowano z zachowaniem czasu określonego regularnym rozkładem jazdy. a) b) Rys. 5.1. Trasy badawcze wykorzystane do badań drogowych: a) trasa miejska 1, b) trasa miejska 2 5.2. Obiekty badań Do badań wykorzystano dwa autobusy komunikacji miejskiej o długości 18 metrów zasilane olejem napędowym i sprężonym gazem ziemnym (tab. 5.2). Autobus zasilany CNG wyposażony był w silnik spalinowy ZI o objętości skokowej 8,9 dm 3 i mocy maksymalnej 238 kw. Pojazd wyposażony był w trófunkcyjny reaktor katalityczny TWC wraz z sondą lambda pracującą w pętli sprężenia zwrotnego. Na dachu pojazdu umieszczono 8 kompozytkowych zbiorników na CNG o pojemności 214 dm 3 każda (rys. 5.2a). Zamontowane na dachu pojazdu zbiorniki zwiększyły jego wyskość do 3 400 mm, co w wielu przypadkach może stanowić poważne utrudnienie ze Tabela 5.2. Charakterystyka badanych autobusów miejskich Parametr Pojazd A zasilany CNG Pojazd B zasilany ON Rodzaj zapłonu iskrowy samoczynny Objętość skokowa 8,9 dm 3 9,2 dm 3 Liczba cylindórw 6 6 Układ cylindrów rzędowy rzędowy Stopień sprężania 12 17,5 Moc maksymalna 239 kw przy 2000 obr/min 231 kw przy 1900 obr/min Maksymalny moment obrotowy 1275 Nm przy 1100 1710 1356 Nm przy 1300 obr/min obr/min Norma emisji spalin EEV EEV Układ oczyszczania splin TWC SCR/DPF Długość 18 000 mm 18 000 mm Wysokość 3 400 mm 3 050 mm Waga z obciążeniem 24 000 kg 24 000 kg 71

względu na infrastrukturę danej aglomeracji miejskiej (wyskość wiaduktów, nisko zawieszona sieć trakcyjna itp.). Pojazd zasilany ON posiadał silnik spalinowy o objętości skokowej 9,2 dm 3 generujący maksymalmy moment obrotowy 1275 Nm (rys. 5.2b). Pojazd był wyposażony w układ selektywnej redukcji katalitycznej SCR oraz filtr cząstek stałych DPF. Oba badane pojazdy spełniały normę emisji EEV. Są one eksploatowane przez operatorów komunikacyjnych głównie na liniach, które charakteryzują dużą liczbą przewożonych pasażerów. Każdy z badanych pojazdów umożlwia przewóz maksymalnie 176 osób. W przeprowadzonych badaniach autobusy obciążąno takim samym ładunkiem, który stanowił średnią wagę maksymalnej liczby pasażerów wynoszącą70 kg dla jednej osoby. Miało to na celu odwzorowanie warunków codziennej eksploatacji tego typu pojazdów na najbradziej obciążonych trasach. a) b) Rys. 5.2. Autobusy komunikacji miejskiej o długości 18 metrów przygotowane do badań: a) pojazd zasilany CNG, b) pojazd zasilany ON 72

5.3. Zastosowana aparatura badawcza W drogowych badaniach emisji zanieczyszczeń z autobusów komunikacji miejskiej wykorzystano mobilny przyrząd z grupy PEMS SEMTEH DS firmy Sensors Inc., stanowiący unikatowe połączenie dużej dokładności pomiarowej i możliwości rejestracji następujących parametrów: stężenia CO i CO 2 (analizator NDIR Non-Dispersive Infrared), NO x = NO + NO 2 (analizator NDUV Non-Dispersive Ultraviolet), HC (analizator FID Flame Ionization Detector), O 2 (czujnik elektrochemiczny), parametrów termodynamicznych spalin (masowe natężenie przepływu, temperatura, ciśnienie) przepływomierz wykorzystujący rurkę Pitota, warunków otoczenia ciśnie atmosferyczne, temperatura, wilgotność, pozycji i prędkości pojazdu układ GPS, danych z sieci diagnostycznej pojazdu protokół transmisji danych CAN SAE J1939/J2284. W wykonanych badaniach jednostkę główną przyrządu SEMTECH DS umieszczono we wnętrzu autobusu i zabezpieczono przed ewentualnym niekontrolowanym przemieszczaniem (rys. 5.3). Do nadwozia pojazdu przymocowano przepływomierz do pomiaru parametrów termodynamicznych spalin o średnicy 4 cali, który był szczelnie połączony z układem wylotowym silnika. Na dachu autobusu znajdował się układ pozycjonowania GPS i czujnik warunków atmosferycznych, które połączone były z jednostką główną przyrządu (niebieskie linie na rys. 5.3). Połączenie z siecią diagnostyczną autobusu realizowane było przez specjalny moduł do transmisji danych przy zastosowaniu protokołu SAE J1939/J2284 dedykowanego dla pojazdów kategorii HDV. Rys. 5.3. Schemat umieszczenia mobilnego przyrządu Semtech DS w badanych autobusach komunikacji miejskiej Próbka spalin do analizy pobierana była z przepływomierza i transportowana przewodem grzanym (czerwona linia) utrzymującym temperaturę ~190 o C. Ma to na celu zabezpieczenie przed kondensacją HC na ściankach przewodu. Następnie próbka, po przejściu przez filtr, trafia do analizatora FID, gdzie dokonywany jest pomiar stężenia HC. Po schłodzeniu do 4 o C próbka spalin kierowana jest kolejno do analizatorów NDUV 73

i NDIR. W nich mierzone są stężenia NO x = (NO + NO 2 ) oraz CO i CO 2. Na samym końcu dokonywany jest pomiar stężenia O2 za pomocą czujnika elektrochemicznego. Sterowanie oraz monitorowanie przyrządu SEMTECH DS realizowane było przez komputer przenośny połączony z jednostką główną za pomocą sieci bezprzewodowej. Przyrząd posada możliwość komunikacji przy zastosowaniu połączenia sieci lokalnej. W przeprowadzonych badaniach ta forma komunikacji nie została wykorzystana. Tabela 5.3. Dane techniczne mobilnego przyrządu SEMTECH DS Parametr Metoda pomiaru Dokładność Stężenie związków: HC NDIR niedyspersyjna, zakres 0 10% ±3% CO FID płomieniowo-jonizacyjna, zakres 0 10 000 ppm ±2,5% CO 2 NDIR niedyspersyjna (podczerwień), zakres 0 20 % ±3% O 2 elektrochemiczna, zakres 0 20 % ±1% Próbkowanie Przepływ spalin Obsługiwane systemy diagnostyczne 1 4 Hz masowe natężenie przepływu T max do 700 o C SAE J1850/SAE J1979 (LDV) SAE J1708/SAE J1587 (HDV) CAN SAE J1939/J2284 (HDV) ±2,5% ±1% zak. Mobilna aparatura typu PEMS (Portable Emission Measurement System), wykorzystywana przy realizacji niniejszej dysertacji doktorskiej, umożliwia pomiary zanieczyszczeń w spalinach w warunkach emisji drogowej (pomiar emisji CO, CO 2, HC, NO x ). Zakresy pomiarowe aparatury umożliwiają zastosowanie jej w szerokim zakresie. Obecnie wymaga się wprowadzania tego typu pomiarów do europejskich działań legislacyjnych (szczególnie w zakresie pomiarów emisji składników gazowych) [12]. Do oceny ekologicznej pojazdów najbardziej pożądane są badania drogowe (w tym przypadku rzeczywiste warunki eksploatacji), gdyż tylko wtedy można uzyskać informację o rzeczywistej emisji pojazdów. Testy wykonuje się np. na odcinkach od kilku do kilkudziesięciu kilometrów w różnych warunkach drogowych. Największą jednak niedogodnością takich badań jest koszt aparatury pomiarowej i przystosowanie jej do warunków zabudowy w pojeździe. Zyskuje się natomiast wiarygodne wyniki pomiarów, niemożliwe do uzyskania w warunkach symulacji na hamowni stacjonarnej. Aktualnie przeprowadza się tego typu próby w celu porównania możliwości pomiarowych dla różnorodnych pojazdów z wykorzystaniem różnych urządzeń pomiarowych. Uzyskane wyniki świadczą o bardzo dużej zmienności poziomu emisji z pojazdów. Dlatego też celem (i planowanym efektem końcowym) pracy jest porównanie i ocena emisji substancji szkodliwych składników spalin pochodzących z autobusów miejskich zasilanych dwoma rodzajami paliwa (klasyczny olej napędowy oraz gaz ziemny) w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Zrezygnowano z pomiaru emisji cząstek stałych, gdyż silniki zasilane gazem ziemnym z założenia cechują się spalaniem bezdymnym. Wykonanie badań emisji cząstek stałych w warunkach drogowych, jakkolwiek technicznie możliwe, oznaczałoby dodatkową komplikację prowadzanych badań. 74

6. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA 6.1. Badania w testach SORT 6.1.1. Cykl jezdny SORT 1 Wyniki badań przeprowadzonych w rzeczywistych warunkach eksploatacji poddano szczegółowej analizie, w której porównane zostały prędkości przejazdów obiektów badawczych w kolejnych próbach testu SORT 1 (rys. 6.1). Dla trzech wybranych prób (przejazdów) z danego cyklu pomiarowego dokonano porównania prędkości V ON i V CNG uwzględniając zgodność w czasie. Na tej podstawie określono współczynniki determinacji. Wartości otrzymanych współczynników obejmowały przedział R 2 =0,9955 0,966. Przyjmuje się, że współczynnik R 2 >0,95 wskazuje na wyraźną zależność między badanymi parametrami. Ze względu na uzyskanie dużej powtarzalności wyników pomiarów, w dalszych analizach przedstawiono rezultaty pomiarów wybranych przejazdów z danych cykli pomiarowych. Rys. 6.1. Porównanie prędkości pojazdów w kolejnych próbach cykli SORT 1 uwzględniając zgodność w czasie Prędkości pojazdów rejestrowane były na podstawie danych odczytywanych z pokładowych systemów diagnostycznych i weryfikowano je z informacjami uzyskiwanymi z systemu pozycjonowania GPS. Z wewnętrznych systemów diagnostycznych pojazdów dokonywano również rejestracji chwilowych wartości parametrów pracy silników spalinowych (moment obrotowy i prędkość obrotowa wału korbowego). Teoretyczna prędkość średnia w teście SORT 1 wynosi 12,6 km/h, natomiast w kolejnych cyklach badawczych uzyskano dla: pojazdu zasilanego ON 12,1 km/h, pojazdu zasilanego CNG 12 km/h (rys. 6.2). Uzyskanie idealnych profili przejazdu jest nie możliwe w warunkach drogowych, ponieważ istotne znaczenie na ruch pojazdu ma wiele czynników, m.in. jego masa i związana z nią bezwładność, praca kierowcy, czy też warunki otoczenia. 75

Rys. 6.2. Przebieg prędkości w teście jezdnym SORT 1 oraz w wybranych próbach autobusów zasilanych ON i CNG Parametry pracy silników spalinowych badanych obiektów podczas realizacji badań w teście jezdnym SORT 1 były odmienne, co wynikało m.in. z ich różnej konstrukcji oraz sposobu zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej (rys. 6.3). W pojeździe zasilanym paliwem konwencjonalnym największy udział parametrów pracy uzyskano dla biegu jałowego 29% (rys. 6.3a). Poza tym można wyróżnić dwa najczęściej występujące zakresy: 400 1200 obr/min i 0 400 Nm (65%) oraz 1000 1600 obr/min i 1000 1400 Nm (14%). Silnik zasilany paliwem alternatywnym najczęściej pracował w przedziale 600 800 obr/min i 0 200 Nm, dla którego całkowity udział czasu pracy wyniósł 49% (rys. 6.3b). W zakresach 800 1200 obr/min i 0 400 Nm oraz 1000 1800 obr/min i 600 1200 Nm uzyskano odpowiednio 31% i 17%. a) b) Rys. 6.3. Udział pracy silnika spalinowego w teście SORT 1 dla autobusu zasilanego: a) ON, b) CNG Do pomiaru sekundowego natężenia emisji zanieczyszczeń użyto mobilnego analizatora SEMTECH DS. Największe wartości emisji sekundowej CO dla badanych pojazdów występowało podczas rozpędzania pojazdów (rys. 6.4). Wartość chwilowa przyspieszenia miała duży wpływ na emisję rozpatrywanego związku im większy 76

przyrost prędkości, tym większa emisja sekundowa (największa w trzecim segmencie testu jezdnego). Emisja autobusu zasilanego CNG osiągała większe wartości maksymalne w czasie przyspieszania (do 307 mg/s) w odniesieniu do rozwiązania konwencjonalnego (do 208,6 mg/s). Rys. 6.4. Natężenie emisji CO w teście jezdnym SORT 1 wraz z założonym profilem prędkości Emisja sekundowa THC zmieniała się podobnie jak CO, przy czym znacznie większą emisję zanieczyszczeń zarejestrowano dla pojazdu zasilanego paliwem alternatywnym (rys. 6.5). Tutaj również istotny wpływ miało przyspieszanie pojazdu, jednak uzyskane wartości maksymalne w poszczególnych segmentach testu nie zależały ściśle od wartości przyspieszeń. Widoczny jest również duży wpływ współpracy silnika spalinowego ze skrzynia przekładniową zmiany parametrów pracy podczas przełączania biegów istotnie wpływały na przebieg emisji. Maksymalne wartości sekundowych stężeń dla CNG wyniosły 49,2 mg/s, natomiast dla ON 1,3 mg/s. Rys. 6.5. Natężenie emisji THC w teście jezdnym SORT 1 wraz z założonym profilem prędkości Bardzo duże różnice pomiędzy autobusem zasilanym ON a CNG, wystąpiły w emisji sekundowej NO x (rys. 6.6). Dla pojazdu zasilanego konwencjonalnym paliwem 77

uzyskano wartości do 302 mg/s, natomiast w drugim rozwiązaniu maksymalne wartości były trzydziestokrotnie mniejsze 9,7 mg/s. Na wartość emisji sekundowej rozpatrywanego związku toksycznego bardzo istotny wpływ miały zastosowane pozasilnikowe układy oczyszczania spalin. W konwencjonalnym rozwiązaniu zastosowano układ selektywnej redukcji katalitycznej, którego stopień konwersji silnie zależy od masowego natężenia przepływu spalin (konwersja jest mniejsza przy większym przepływie). Natomiast za jednostką napędową zasilaną CNG wykorzystano trójfunkcyjny reaktor katalityczny, którego stopień konwersji nie jest tak silnie zależny od przepływu spalin, natomiast istotny wpływ na jego sprawność ma wartość współczynnika nadmiaru powietrza. Rys. 6.6. Natężenie emisji NO x w teście jezdnym SORT 1 wraz z założonym profilem prędkości Dla obu badanych pojazdów największe stężenia emisji CO 2 wystąpiły w trzecim segmencie testu jezdnego (rys. 6.7). Wpływ na to miała największa uzyskiwana prędkość oraz duża wartość przyspieszenia. W autobusie zasilanym CNG maksymalne wartości emisji sekundowej osiągnęły 39 g/s, natomiast w drugim badanym rozwiązaniu 32 g/s. Zgodnie z bilansem spalania można założyć, że emisja rozpatrywanego związku jest proporcjonalna do zużycia paliwa. W związku z tym największe zużycie paliwa występowało w czasie wykonywania przez silniki spalinowe największej pracy podczas przyspieszania pojazdu. Porównanie emisji drogowej wskazuje, że większe wartości CO, THC oraz CO 2 uzyskano dla pojazdu zasilanego paliwem alternatywnym (rys. 6.8). W odniesieniu do dwóch pierwszych wymienionych związków, wynikało to między innymi z pracy jednostki napędowej na mieszance zbliżonej do stechiometrycznej (większa emisji CO) oraz przebiegiem reakcji spalania gazu ziemnego (większa emisja THC). Ponadto trójfunkcyjny reaktor katalityczny ma niewielką sprawność utleniania metanu. Porównanie względne uzyskanych wartości wskazuje, że dla autobusu zasilanego CNG emisja drogowa CO była większa o 37%, THC o 1283%, natomiast CO 2 o 15% (rys. 6.9). Emisja drogowa NO x była o 88% większa w autobusie zasilanym paliwem konwencjonalnym. Wynika to z różnych rozwiązań układów oczyszczania spalin 78

układ selektywnej redukcji katalitycznej charakteryzuje się małą efektywnością w trudnych warunkach eksploatacji, jakie odwzorowuje test SORT 1. Rys. 6.7. Natężenie emisji CO 2 w teście jezdnym SORT 1 wraz z założonym profilem prędkości Rys. 6.8. Porównanie emisji drogowej w teście jezdnym SORT 1 Rys. 6.9. Porównanie względnej emisji drogowej w teście jezdnym SORT 1 79

6.1.2. Cykl jezdny SORT 2 Podczas badań w teście jezdnym SORT 2 uzyskane prędkości pojazdów porównano w celu wyznaczenia współczynników determinacji (rys. 6.10). Tak jak w poprzednim cyklu jezdnym, analizie poddano trzy wybrane próby z danego cyklu pomiarowego. Uwzględniając zgodność w czasie kolejnych przejazdów, uzyskano współczynniki determinacji w przedziale R 2 =0,9966 0,9988. Świadczy to uzyskaniu bardzo dużej powtarzalności wyników pomiarów. W związku z tym w analizie testu jezdnego odzwierciedlającego warunki eksploatacji w ruchu miejskim, przedstawiono rezultaty badań wybranych przejazdów z danych cykli pomiarowych. Rys. 6.10. Porównanie prędkości pojazdów w kolejnych próbach cykli SORT 2 uwzględniając zgodność w czasie Porównanie przebiegów prędkości wskazuje, że uzyskane profile są zbliżone do profilu znormalizowanego (rys. 6.11). Niewielkie różnice wystąpiły w drugim i trzecim segmencie testu, podczas jazdy ze stałą prędkością. Teoretyczna prędkość średnia w teście SORT 2 wynosi 18,6 km/h. Dla pojazdu zasilanego paliwem konwencjonalnym średnia prędkość w rozpatrywanym cyklu badawczym wyniosła 17,9 km/h, natomiast drugi autobus uzyskał średnią prędkość 17,8 km/h. Osiągnięcie zbliżonych prędkości pomiędzy rozpatrywanymi próbami jest korzystne w aspekcie wykonania analizy porównawczej emisyjności badanych pojazdów. Parametry pracy silników spalinowych autobusów w czasie badań w testach jezdnych SORT 2 były podobne do parametrów uzyskanych w teście SORT 1, przy czym zmieniły się w niewielkim stopniu główne obszary pracy i ich udziały (rys. 6.12). W autobusie zasilanym ON największy udział parametrów pracy uzyskano dla zakresu 400 1400 obr/min i 0 400 Nm, który wyniósł 71% (rys. 6.12a). Drugi obszar o znaczącym udziale 24% mieścił się w przedziale 1000 1600 obr/min i 1000 1400 Nm. Udział pracy silnika pojazdu zasilanego CNG w obszarze biegu jałowego osiągnął 40% (rys. 6.12b). W przedziałach 600 1000 obr/min i 0 400 Nm oraz 1000 1400 obr/min i 1000 1400 Nm uzyskano udziały czasu pracy odpowiednio 59% i 17%. 80

Rys. 6.11. Przebieg prędkości w teście jezdnym SORT 2 oraz w wybranych próbach autobusów zasilanych ON i CNG a) b) Rys. 6.12. Udział pracy silnika spalinowego w teście SORT 2 dla autobusu zasilanego: a) ON, b) CNG Zarejestrowane przebiegi natężenia emisji z rozpatrywanych prób danych cykli jezdnych naniesiono na teoretyczne profile prędkości testu SORT 2. Emisja sekundowa CO uzyskiwała największe wartości w czasie rozpędzania pojazdów (rys. 6.13). Rys. 6.13. Natężenie emisji CO w teście jezdnym SORT 2 wraz z założonym profilem prędkości 81

Większą emisją charakteryzował się autobus zasilany CNG, dla którego maksymalne wartości w kolejnych segmentach wyniosły 147,8 mg/s, 159,1 mg/s i 183 mg/s. W odniesieniu do pojazdu wyposażonego w konwencjonalny układ napędowy maksymalne wartości były średnio o 40 % mniejsze. Uzyskane przebiegi emisji związane były z dużym zapotrzebowaniem energetycznym pojazdu, co miało wpływ na gwałtowne zmiany w procesie spalania i związane z tym zjawiska w układzie wylotowym, szczególnie istotne dla autobusu zasilanego ON. Emisja sekundowa THC miała podobną tendencję jak w teście SORT 1, przy czym wartości maksymalne były mniejsze, co wynikało z mniejszego obciążenia pojazdu związanego z charakterystyką testu SORT 2 (rys. 6.14). Emisja rozpatrywanego związku istotnie zależała od parametrów ruchu pojazdów, jednak dużą rolę odgrywał sposób współpracy silnika spalinowego ze skrzynia przekładniową, szczególnie w silniku zasilanym CNG. Maksymalna wartość dla tego autobusu wyniosła 24,3 g/s w pierwszym segmencie testu. Rys. 6.14. Natężenie emisji THC w teście jezdnym SORT 2 wraz z założonym profilem prędkości Emisja sekundowa NO x w autobusie zasilanym ON zależała ściśle od obciążenia silnika spalinowego (rys. 6.15). Przyspieszanie i związane z nim zwiększenie dawki wtryskiwanego paliwa, wpływało na zwiększenie zawartości tego związku z gazach wylotowych. Znacznie mniejsza emisja NO x z pojazdu zasilanego paliwem alternatywnym wynikała z zastosowanego układu oczyszczania spalin, który skutecznie redukował rozpatrywany związek. Największy poziom natężenia emisji wystąpił dla drugiego profilu prędkości testu, co było spowodowane dużą wartością uzyskiwanego przyspieszenia oraz krótkim odcinkiem jazdy ze stałą prędkością. Natężenie emisji CO 2, związane ze zużyciem paliwa, uzyskało największe wartości w trzecim segmencie testu, podczas uzyskiwania maksymalnych prędkości przez pojazdy (rys. 6.16). Dla autobusu zasilanego ON widoczne są fragmenty, w których emisja zmniejszała się do zera. Związane to było z redukcją dawki paliwa w czasie hamowania silnikiem i wykorzystaniem energii hamowania. W silniku ZI uzyskano takie warunki w mniejszym zakresie, co wynikało m.in. z wysterowania elementów układu napędowego i strategii sterowania wtryskiem paliwa. Miało to bezpośredni 82

wpływ na uzyskane wartości emisji drogowej, której zestawione wyniki przedstawiono na rysunku 6.17. Rys. 6.15. Natężenie emisji NO x w teście jezdnym SORT 2 wraz z założonym profilem prędkości Rys. 6.16. Natężenie emisji CO 2 w teście jezdnym SORT 2 wraz z założonym profilem prędkości Rys. 6.17. Porównanie emisji drogowej w teście jezdnym SORT 2 83

W teście odzwierciedlającym miejskie warunki eksploatacji porównane wartości emisji zanieczyszczeń miały zgodne tendencje z wynikami zarejestrowanymi dla testu SORT 1, przy czym uzyskane wartości maksymalne były mniejsze. Dla pojazdu zasianego CNG emisja CO była większa o 91%, THC o 2127%, a CO 2 o 11% (rys. 6.18). Największe różnice dotyczyły emisji THC, gdzie uzyskano wartości dla ON 0,11 g/km i CNG 2,45 g/km. Natomiast emisja NO x była mniejsza o 81% w odniesieniu do napędu konwencjonalnego i uzyskała wartość 1,64 g/km. W odniesieniu do pierwszego cyklu pomiarowego uzyskano mniejsze wartości emisji CO 2 o około 21%, co było związane z mniejszym zużyciem paliwa w rozpatrywanych cyklach pomiarowych. Rys. 6.18. Porównanie względnej emisji drogowej w teście jezdnym SORT 2 6.1.3. Cykl jezdny SORT 3 Współczynniki determinacji wyznaczone dla trzech kolejnych prób z cykli jezdnych SORT 3, wykonanych dla autobusów zasilanych paliwem konwencjonalnym i alternatywnym przedstawiono na rysunku 6.19. Uwzględniając zgodność w czasie kolejnych przejazdów, uzyskano współczynniki determinacji w przedziale R 2 =0,9943 0,9964. Uzyskanie wartości zbliżonych do 1, tak jak w poprzednich przykładach, świadczy o dużej powtarzalności profili prędkości w próbach. Tak więc w analizie testu jezdnego odzwierciedlającego warunki podmiejskiej eksploatacji, przedstawiono rezultaty badań wybranych przejazdów z danych cykli pomiarowych. Zarejestrowane profile prędkości pojazdów naniesiono na teoretyczny profil testu SORT 3, dla którego prędkość średnia wynosi 26,3 km/h (rys. 6.20). Na podstawie otrzymanych danych wyznaczono prędkości średnie dla rozpatrywanych prób w cyklu podczas, którego był badany pojazd zasilany ON uzyskano 25,3 km/h, natomiast w cyklu z autobusem zasilanym CNG prędkość wyniosła 25,4 km/h. Uzyskanie idealnych profili przejazdu w teście SORT 3 jest bardzo trudne do osiągnięcia, ze względu na duże prędkości i wartości przyspieszeń. Jednak uzyskane profile są zbliżone do założeń i bardzo podobne do siebie, rozpatrując analizowane próby. Jest to bardzo korzystne 84

podczas realizacji analizy porównawczej dotyczącej wyznaczania wskaźników emisyjnych zanieczyszczeń badanych pojazdów. Rys. 6.19. Porównanie prędkości pojazdów w kolejnych próbach cykli SORT 3 uwzględniając zgodność w czasie Rys. 6.20. Przebieg prędkości w teście jezdnym SORT 3 oraz w wybranych próbach autobusów zasilanych ON i CNG W teście jezdnym SORT 3, tak jak w poprzednich cyklach badawczych, parametry pracy silników spalinowych badanych obiektów były odmienne (rys. 6.21). Wynikało to m.in. z różnych konstrukcji jednostek napędowych oraz sposobu zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. W pojeździe zasilanym paliwem konwencjonalnym największy udział parametrów pracy uzyskano dla prędkości obrotowej do 800 obr/min i momentu obciążającego do 200 Nm, który wyniósł 31% (rys. 6.21a). W zakresach 1000 1600 obr/min i 0 600 Nm oraz 800 1600 obr/min i 1000 1400 Nm udziały pracy silnika spalinowego uzyskały wartości odpowiednio 34% oraz 32%. Silnik spalinowy zasilany CNG najczęściej pracował przy prędkości obrotowej biegu jałowego w zakresie 85

obciążeń do 200 Nm, gdzie udział wyniósł 29% (rys. 6.21b). Dla przedziałów 800 1600 obr/min i 0 600 Nm oraz 1000 1600 obr/min i 1000 1400 Nm uzyskano wartości 34% oraz 28%. a) b) Rys. 6.21. Udział pracy silnika spalinowego w teście SORT 3 dla autobusu zasilanego: a) ON, b) CNG Największe chwilowe wartości emisji sekundowej CO (161,7 mg/s) zarejestrowano w pierwszym profilu testu dla autobusu zasilanego CNG (rys. 6.22). Na przedstawionym przebiegu emisji można zaobserwować, że dla tego pojazdu chwilowe wartości emisji zawsze są większe od autobusu zasilanego paliwem tradycyjnym. Natężenie emisji jest ściśle uzależnione od parametrów pracy pojazdu, jednak wartości maksymalne nie zależą ściśle od uzyskanych prędkości w kolejnych profilach testu jezdnego, co stanowi odwrotną tendencję do wcześniej rozpatrywanych cykli badawczych. Rys. 6.22. Natężenie emisji CO w teście jezdnym SORT 3 wraz z założonym profilem prędkości Przebieg emisji sekundowej THC był silnie uzależniony od parametrów pracy silników spalinowych badanych obiektów, tak jak we wcześniej rozpatrywanych cyklach jezdnych (rys. 6.23). Ze względu na charakterystykę cyklu podmiejskiego uzyskano mniejsze wartości maksymalne emisji sekundowej, które osiągnęły wartości 86

dla kolejnych segmentów: ON 0,8 mg/s; 1,5 mg/s; 1,6 mg/s oraz CNG 21,7 mg/s; 18,4 mg/s i 19,4 mg/s. Przebieg emisji sekundowej potwierdza dużą zależność doboru i współpracy skrzyni przekładniowej na uzyskiwane wartości w pojeździe zasilanym paliwem alternatywnym. Rys. 6.23. Natężenie emisji THC w teście jezdnym SORT 3 wraz z założonym profilem prędkości Znaczące różnice między badanymi obiektami wystąpiły dla emisji sekundowej NO x (rys. 6.24). Duża emisja rozpatrywanego związku dla autobusu o zasilaniu konwencjonalnym wynikała, tak jak w poprzednich przypadkach, głównie z zastosowanego układu oczyszczania spalin. Przy czym należy zauważyć, że maksymalne wartości są mniejsze, co wynikało ze skuteczniejszego działania reaktora redukującego, którego sprawność jest zależna od warunków pracy silnika związanych z ruchem pojazdu. Największą wartość uzyskano w drugim segmencie testu i osiągnęła ona wartość 185,3 mg/s. Rys. 6.24. Natężenie emisji NO x w teście jezdnym SORT 3 wraz z założonym profilem prędkości Przebiegi emisji sekundowej CO 2 badanych autobusów były zbliżone do siebie (rys. 6.25). Największe wartości występowały dla fragmentów, gdzie pojazdy 87

przyspieszały, natomiast dla stałej prędkość emisja sekundowa zmniejszała się. W autobusie zasilanym ON maksymalne wartości osiągnęły 33,1 g/s i wystąpiły w trzecim segmencie testu, natomiast w drugim badanym rozwiązaniu uzyskano 35,1 g/s dla pierwszego segmentu cyklu pomiarowego. Przedstawione krzywe świadczą również o znaczącej zależności współpracy skrzyni przekładniowej i doborze przełożeń na emisję jednostkową CO 2. Rys. 6.25. Natężenie emisji CO 2 w teście jezdnym SORT 3 wraz z założonym profilem prędkości Rys. 6.26. Porównanie emisji drogowej w teście jezdnym SORT 3 Zestawienie wyników emisji drogowej badanych zanieczyszczeń z pojazdów wskazuje takie same tendencje, jakie otrzymano w poprzednich cyklach badawczych (rys. 6.26). Należy jednak zwrócić uwagę, iż wszystkie wartości są mniejsze. Różnice w emisji poszczególnych zanieczyszczeń wynosiły dla: CO 95%, THC 2140% oraz CO 2 11 % na korzyść pojazdu zasilanego paliwem konwencjonalnym (rys. 6.27). W drugim badanym rozwiązaniu dużo korzystniej ukształtowała się emisja drogowa NO x, a różnica w porównaniu względnym wyniosła 90%. Uzyskane wartości emisji drogowej we wszystkich rozpatrywanych cyklach badawczych zależały głównie od: 88

sposobu zapłonu mieszanki w silnikach i przebiegu procesów spalania, współczynników nadmiaru powietrza, a także zastosowanych pozasilnikowych układów oczyszczania gazów wylotowych. Rys. 6.27. Porównanie względnej emisji drogowej w teście jezdnym SORT 3 6.2. Badania w rzeczywistych warunkach ruchu 6.2.1. Trasa miejska 1 Kolejny etap prac dotyczył realizacji pomiarów emisji zanieczyszczeń z badanych obiektów na trasach miejskich i wykonania analiz otrzymanych wyników. Prędkości pojazdów, tak jak w testach jezdnych, rejestrowane były z pokładowych systemów diagnostycznych. Ich wartości weryfikowano na podstawie informacji uzyskanych z systemu pozycjonowania GPS (rys 6.28). Miejskie warunki eksploatacji przyczyniły Rys. 6.28. Profile prędkości autobusów zasilanych ON i CNG uzyskane podczas badań w rzeczywistych warunkach ruchu na trasie miejskiej 1 89

się do uzyskania profili charakteryzującą się dużą zmiennością prędkości. Średnia prędkość na trasie miejskiej 1 autobusu zasilanego paliwem konwencjonalnym wyniosła 18,9 km/h (maksymalnie 68,9 km/h), natomiast drugiego pojazdu 19,8 km/h (maksymalnie 57,3 km/h). Na podstawie rejestrowanych danych wyznaczono dla badanych obiektów mapy charakterystyk gęstości czasowych pracy pojazdów, silników spalinowych oraz charakterystyki emisyjne. Dla pojazdu zasilanego ON główny obszar pracy mieścił się w zakresie prędkości 0 18 m/s (0 65 km/h) i w przedziale przyspieszeń 0,6 1,2 m/s 2, podobnie jak w przypadku pojazdu zasilanego CNG (rys. 6.29). Największy udział czasu pracy dla pojazdu zasilanego ON wystąpił na postoju i wyniósł 25%. Dla autobusu zasilanego CNG wyróżniono dwa obszary o znacznym udziale czasu pracy. Pierwszy przypadł dla biegu jałowego i wyniósł 26%, a drugi wystąpił w przedziale prędkości 8 14 m/s w zakresie przyspieszeń 0 1,2 m/s 2 i stanowił 44% całkowitego czasu pracy pojazdu. Zbliżony rozkład udziału czasu pracy w przedziałach prędkości i przyspieszenia jak również względna różnica średnich prędkości badanych pojazdów wynosząca 4,5% świadczą o powtarzalności przeprowadzonych pomiarów. Powyższe kryteria pozwoliły na porównanie emisyjności pojazdów w rzeczywistych warunkach eksploatacji. a) b) Rys. 6.29. Charakterystyka udziału czasu pracy autobusu w przedziałach prędkości i przyspieszenia podczas badań na trasie miejskiej 1: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Silnik autobusu zasilanego ON pracował najczęściej w obszarze prędkości obrotowej biegu jałowego w zakresie obciążeń do 400 Nm (rys. 6.30a). Udział dla tych parametrów pracy wyniósł 26%. Widoczny jest także znaczący obszar, stanowiący 18% czasu całkowitego, w którym silnik pracował bez obciążenia w zakresie podwyższonych prędkości obrotowych do 1600 obr/min. Wyróżniono także obszar pracy silnika o wartości 20%, który wystąpił dla największych obciążeń silnika, powyżej 1000 Nm. Główne pole pracy silnika pojazdu zasilanego CNG można podzielić na dwa charakterystyczne obszary (rys. 6.30b). Pierwszy o największym udziale czasu pracy wystąpił dla prędkości obrotowych do 800 obr/min oraz obciążeń do 200 Nm i stanowił 35% udziału. Drugi wystąpił w przedziale 800 1200 obr/min w całym zakresie obciążenia stanowiąc 49% całkowitego czasu pracy. Można zatem stwierdzić, że pracował on w znacznym zakresie w warunkach charakterystyki obciążeniowej. 90

a) b) Rys. 6.30. Charakterystyka udziału czasu pracy w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego od obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 1: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Średnia wartość emisji sekundowej CO dla pojazdu zasilanego CNG była większa o około 25% w porównaniu do autobusu zasilanego paliwem konwencjonalnym (rys. 6.31). Pojazd zasilany ON posiadał największą emisję sekundową w zakresie obciążeń powyżej 800 Nm, co wynikało głównie z konieczności wtryskiwania dużej dawki paliwa w czasie ruszania i gwałtownego przyspieszania pojazdu (rys. 6.31a). Wynikiem dużej emisji CO i dużych zmian ciśnień w kolektorze wylotowym było zmniejszenie stopnia konwersji utleniającego reaktora katalitycznego zamontowanego w pojeździe. Emisja sekundowa CO pojazdu zasilanego CNG miała charakterystyczny przebieg zauważalna jest tendencja zwiększania się emisji wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowej wału korbowego (rys. 6.31b). Największe wartości uzyskano dla zakresu 1400 2000 obr/min i 200 1400 Nm. Taki przebieg był uwarunkowany charakterystyką pracy spalinowej jednostki napędowej - która pracowała w obiegu Otto. a) b) Rys. 6.31. Charakterystyka udziału emisji sekundowej CO w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 1: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Dla silnika zasilanego ON zarejestrowano małe wartości emisji sekundowej THC, co wynikało przede wszystkim z przebiegu procesu spalania w cylindrach (rys. 6.32a). W odniesieniu do autobusu zasilanego paliwem alternatywnym, widoczne jest znaczne 91

zwiększanie natężenia emisji rozpatrywanego związku wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowej (rys. 6.32b). Poziom emisji sekundowej THC oscylował w zakresie 0,1 17 mg/s. Kształt otrzymanej charakterystyki związany był z przebiegiem reakcji spalania gazu ziemnego, której produktami jest także CH 4 i NMHC. Wysoka sumaryczna emisja węglowodorów wynikała głównie z przewagi zawartości metanu w gazach wylotowych, która spowodowana była niskim stopniem konwersji trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego dla tego związku. a) b) Rys. 6.32. Charakterystyka udziału emisji sekundowej THC w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 1: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Większe wartości emisji sekundowej NO x zarejestrowano dla pojazdu zasilanego ON (rys. 6.33). Charakterystyka emisji tego autobusu posiada specyficzny przebieg, z którego wyniki, że zawartość związku w spalinach jest ściśle zależna od prędkości obrotowej i obciążenia emisja zwiększa się wraz ze zwiększaniem wartości parametrów pracy silnika (rys. 6.33a). Dla drugiego obiektu badawczego można stwierdzić, że emisja była związana głównie z prędkością obrotową (rys. 6.33b). Średnia wartość była 7-krotnie większa niż średnia wartość emisji sekundowej NO x pojazdu zasilanego paliwem konwencjonalnym. a) b) Rys. 6.33. Charakterystyka udziału emisji sekundowej NO x w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 1: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG 92

Było to spowodowane przede wszystkim wysokim stopniem konwersji trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego, który jest najwyższy dla stechiometrycznej mieszanki paliwowo-powietrznej (na podstawie odczytanych danych z układu diagnostycznego pojazdu oraz pomiaru masowego natężenia przepływu gazów wylotowych wyznaczono wartość współczynnika nadmiaru powietrza, która w trakcie testu oscylowała w przedziale 1,02 1,10). Zwrócono także uwagę, że pojazd zasilany ON wyposażony był w układ selektywnej redukcji katalitycznej, na którego stopień konwersji wpływa szereg czynników m.in. masowe natężenie przepływu gazów wylotowych oraz temperatura spalin. W trakcie badań drogowych występuje bardzo duża oscylacja przyspieszeń, co wiąże się ze znacznymi zmianami wydatku gazów wylotowych oraz ich temperatury. Charakterystyka udziału emisji sekundowej CO 2 w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika pojazdu zasilanego ON, wskazuje że natężenie emisji związku jest zależne głównie od obciążenia (rys. 6.34a). Natomiast w drugim badanym obiekcie wielkość emisji sekundowej uzależniona była przede wszystkim od prędkości obrotowej wału korbowego (rys. 6.34b). Dla obu badanych obiektów największe wartości stężeń wystąpiły dla największych prędkości obrotowych i obciążeń. Na kształty przedstawionych charakterystyk miało wpływ wiele czynnik, m.in. sposób zapłonu i spalania, dobór przełożeń oraz wysterowania skrzyń przekładniowych, a także elementów układów napędowych. Wielkość natężenia emisji CO 2 uwarunkowana jest zapotrzebowaniem energetycznym pojazdu wynikającym z charakterystyki odcinka pomiarowego, który cechował się zarówno dużym udziałem kongestii drogowych jak i dużą liczbą przystanków. Wiązało się to z częstym ruszaniem pojazdu, a tym samym z wydatnym zapotrzebowaniem na energię, co przekładało się na zużycie paliwa, a tym samym i emisję rozpatrywanego związku. a) b) Rys. 6.34. Charakterystyka udziału emisji sekundowej CO 2 w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 1: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Na podstawie przeprowadzonych badań w rzeczywistych warunkach eksploatacji autobusów wyznaczono i porównano wartości emisji drogowej (rys. 6.35). Tak jak w testach jezdnych SORT, większa emisją drogową CO, THC oraz CO 2, charakteryzował się pojazd zasilany CNG. Dla wymienionych składników gazów wylotowych różnice 93

wyniosły odpowiednio 78%, 1843% i 18% (rys. 6.36). Emisja NO x dla tego autobusu była mniejsza o 87%. Specyfika trasy 1 obejmuje warunki miejskiej eksploatacji, przy czym otrzymane wyniki wskazują, że żaden z przeprowadzonych testów jezdnych SORT nie odzwierciedla w pełni parametrów charakterystycznych dla tej trasy. Rys. 6.35. Porównanie emisji drogowej z badań na trasie miejskiej 1 Ponadto wpływ na otrzymane wartości emisji drogowej miały przede wszystkim właściwości stosowanych paliw oraz rodzaj obiegu termodynamicznego, według którego pracowały spalinowe jednostki napędowe. Rys. 6.36. Porównanie względnej emisji drogowej z badań na trasie miejskiej 1 6.2.2. Trasa miejska 2 Trasa badawcza 2, charakteryzowała się krótszą drogą i mniejszą ilością przystanków w odniesieniu do trasy 1, przy czym w cyklach pomiarowych przewożona była większa średnia ilość pasażerów. Uzyskane profile prędkości wskazują, że na trasie 94

występowała duża zmienność prędkości, co wynikało z konieczności obsługi przystanków, skrzyżowań i kongestii drogowych (rys. 6.37). Autobus zasilany paliwem konwencjonalnym poruszał się ze średnią prędkością 17,6 km/h (maksymalnie 46,4 km/h), natomiast drugi obiekt badawczy uzyskał średnią wartość 18,5 km/h (maksymalnie 42,3 km/h). Pokonanie przez pojazdy równych dystansów i uzyskanie różnicy względnej prędkości wynoszącej 5%, świadczy o podobieństwie wykonanych prób i stanowi kryterium umożliwiające realizację analizy porównawczej wskaźników ekologicznych badanych pojazdów. Rys. 6.37. Profile prędkości autobusów zasilanych ON i CNG uzyskane podczas badań w rzeczywistych warunkach ruchu na trasie miejskiej 2 Na podstawie otrzymanych wyników badań, tak jak w przypadku trasy miejskiej 1, wyznaczono charakterystyki udziałów czasowych pracy pojazdów, silników spalinowych oraz charakterystyki emisyjne. Pojazd zasilany ON poruszał się najczęściej w zakresie prędkości 0 12 m/s i przedziale przyspieszeń 1,2 1,2 m/s 2 (udział = 98%), przy czym największy udział wystąpił dla postoju pojazdu i wyniósł 16% (rys. 6.38a). Autobus zasilany CNG poruszał się w większym zakresie przyspieszeń, jednak największe udziały zarejestrowano dla tego samego zakresu, jak w pierwszym obiekcie badawczym i osiągnął 96% całkowitego czasu pracy (rys. 6.38b). Całkowity udział postoju uzyskał wartość 9%. Silnik spalinowy zasilany ON najczęściej pracował w zakresie prędkości obrotowych do 1200 obr/min i obciążeń do 400 Nm. Udział pracy w tym przedziale wyniósł 62% (rys. 6.39a). Drugi znaczący obszar stanowi przedział 800 1400 obr/min i 400 1400Nm stanowiący 30% całkowitego czasu pracy jednostki spalinowej. Silnik pojazdu zasilanego CNG pracował najczęściej przy prędkość obrotowych wału korbowego do 1200 obr/min w zakresie do 1000 Nm (rys. 6.39b). Dla prędkości biegu jałowego, przy obciążeniach do 200 Nm, całkowity udział wyniósł 31%. W odniesieniu do trasy badawczej 1, pole pracy dla silników było mniejsze, przy czym główne udziały występują w zbliżonych zakresach parametrów pracy. 95

a) b) Rys. 6.38. Charakterystyka udziału czasu pracy autobusu w przedziałach prędkości i przyspieszenia podczas badań na trasie miejskiej 2: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG a) b) Rys. 6.39. Charakterystyka udziału czasu pracy w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego od obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 2: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Natężenie emisji CO dla pojazdu o napędzie konwencjonalnym zależało głównie od obciążenia silnika spalinowego (rys. 6.40a). Widoczne jest znaczne zwiększenie wartości emisji sekundowych, do 119 g/s, powyżej 800 Nm, co było wynikiem znacznego zwiększania dawki wtryskiwanego paliwa do cylindrów. Emisja sekundowa CO silnika spalinowego zasilanego CNG zależała zarówno od obciążenia, jak i prędkości obrotowej (rys. 6.40b). Największe wartości wystąpiły dla zakresu 1600 2000 obr/min i obciążeń 1000 1400 Nm, gdzie średnia wartość wyniosła 151 g/s. Średnia emisja sekundowa tego pojazdu była większa o 41%. Wpływ na stężenia rozpatrywanego związku w gazach wylotowych miały przede wszystkim zastosowane układy oczyszczania spalin. Autobus wyposażony w silnik ZS emitował małe ilości THC, nie przekraczające wartości 1,2 mg/s (rys. 6.41a). Dla autobusu zasilanego paliwem alternatywnym charakter emisji THC jest zbliżony do charakteru emisji CO zależy głównie od prędkości obrotowej, ale i od obciążenia (rys. 6.41b). Największe wartości na charakterystyce osiągały 24 26 mg/s w zakresie maksymalnych prędkości obrotowych wału korbowego i momentów. Znaczne wartości emisji zanieczyszczenia wynikały z 96

rodzaju zastosowanego paliwa i sposobu jego spalania, a także sprawności działania trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. a) b) Rys. 6.40. Charakterystyka udziału emisji sekundowej CO w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 2: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG a) b) Rys. 6.41. Charakterystyka udziału emisji sekundowej THC w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 2: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Charakterystyki udziału emisji sekundowej NO x w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia jednostki spalinowej wskazują, że znacznie większe stężenia występują dla pojazdu zasilanego ON (rys. 6.42a). Wielkość emisji jest ściśle zależna od maksymalnych temperatur w komorze spalania, a więc wraz ze zwiększeniem dawki paliwa (zwiększenie momentu i prędkości obrotowej), zwiększa się emisja omawianego składnika gazów wylotowych. Maksymalne wartości były zbliżone do stężeń zarejestrowanych na trasie miejskiej 1. Dla autobusu zasilanego paliwem alternatywnym większa emisja występowała dla obciążeń powyżej 600 Nm i maksymalnie wynosiła 15 mg/s (rys. 6.42b). Pomiędzy obiektami badawczymi zarejestrowano 10-krotne różnice średnich wartości emisji sekundowej NO x. Wpływ na to miały głównie zastosowane różne systemy oczyszczania spalin. Udział emisji 97

sekundowej CO 2 w zależności od prędkości obrotowej oraz momentu obciążającego silnik spalinowy przedstawiono na rysunku 6.43. a) b) Rys. 6.42. Charakterystyka udziału emisji sekundowej NO x w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 2: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Charakterystyki emisji zachowały podobne tendencje, jak w przypadku trasy badawczej 1: autobus zasilany ON natężenie emisji zależny głównie od obciążenia, pojazd zasilany CNG natężenie emisji uwarunkowane jest przede wszystkim przez prędkość obrotową. Maksymalne wartości dla rozwiązania konwencjonalnego osiągały wartości do 29 g/s w zakresie momentów powyżej 1200 Nm, natomiast dla drugiego badanego obiektu zarejestrowano natężenie emisji CO 2 38 g/s również w obszarze największych obciążeń. Uzyskane wartości zależały głównie od obciążenia pojazdów, doboru i wysterowania elementów układów napędowych, a także charakterystyką pokonywanej trasy badawczej. a) b) Rys. 6.43. Charakterystyka udziału emisji sekundowej CO 2 w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika podczas badań na trasie miejskiej 2: a) pojazd zasilany ON, b) pojazd zasilany CNG Porównanie wartości wyznaczonych emisji drogowych wskazuje, że pojazd zasilany ON charakteryzował się mniejszą emisją CO, THC, a także CO 2 (rys. 6.44). Dla wszystkich związków szkodliwych otrzymano mniejsze wartości dla obu rozpatrywanych autobusów, w odniesieniu do trasy badawczej 1. Uwzględniając fakt 98

większego obciążenia pojazdów przez pasażerów, można sformułować wniosek, że wpływ na uzyskanie mniejszych wartości emisji drogowej miał przede wszystkim profil odcinka pomiarowego wymagał mniejszej ilości hamowań i przyspieszeń. Pojazd zasilany CNG wyemitował więcej zanieczyszczeń na jednostkę drogi dla: CO o 71%, THC o 2320% i CO 2 o 11% (rys. 6.45). Natomiast emisja NO x była o 90% mniejsza w porównaniu z rozwiązaniem konwencjonalnym. Istotny jest także fakt, że żaden z przeprowadzonych testów jezdnych SORT nie odzwierciedla w pełni parametrów charakterystycznych dla tej trasy badawczej. Rys. 6.44. Porównanie emisji drogowej z badań na trasie miejskiej 2 Rys. 6.45. Porównanie względnej emisji drogowej z badań na trasie miejskiej 2 6.3. Porównanie parametrów ekonomicznych w zakresie eksploatacji badanych rozwiązań autobusów Ze względu na konieczność poprawy stanu środowiska w aglomeracjach, a także zmniejszenia kosztów eksploatacji środków komunikacji publicznej, trwają nieustanne 99

prace dotyczące unowocześniania taboru spółek obsługujących transport miejski. Przez koszty transportu rozumie się koszty ponoszone przez przedsiębiorstwo na transport osób lub ładunków [67]. Istotny udział stanowią nakłady związane z obsługą i eksploatacją pojazdów, przy czym największe znaczenie mają koszty paliwa. Do oceny wskaźników ekonomicznych autobusów miejskich można stosować badania w warunkach drogowych. Na ich podstawie można wyznaczyć rzeczywistą ilość zużytego paliwa, łącznie z tą wykorzystaną podczas postoju i pracy silnika na biegu jałowym. Dzięki dokładnemu opisaniu zakresów pracy jednostek napędowych autobusów komunikacji miejskiej możliwe jest również oszacowanie kosztu przejazdu odniesionego do danego odcina drogi np. 100 km. W celu wyznaczenia kosztów eksploatacji autobusów miejskich związanych ze zużyciem paliwa konieczne jest wykonanie obliczeń zgodnie z metodą bilansu węgla. Zastosowanie przedstawionych poniżej wzorów pozwala wyznaczyć wartość przebiegowego zużycia paliwa. Dla oleju napędowego korzysta się ze wzoru: 0,1155 FC [(0,866 THC) (0,429 CO) (0,273 CO 2 )] ρ pal (6.1) Przy zastosowaniu sprężonego gazu ziemnego do napędu autobusu korzysta się ze wzoru: 0,1336 FC [(0,749 THC) (0,429 CO) (0,273 CO 2 )] ρ pal (6.2) gdzie: FC zużycie paliwa w zależności od jego typu: ON [dm 3 /100 km] lub CNG: [m 3 /100 km], THC, CO, CO 2 emisja drogowa składników spalin [g/km], ρ pal gęstość paliwa w 15 C [g/cm 3 ]. Na podstawie wyników przeprowadzonych badań, przedstawionych w podrozdziałach 6.1 i 6.2, obliczono przebiegowe zużycie paliwa badanych obiektów (tab. 6.1). Jak wynika z przedstawionych wartości, w kolejnych testach jezdnych SORT badane obiekty charakteryzowały się coraz mniejszym zużyciem paliwa. W odniesieniu do przejazdów miejskich, większe przebiegowe zużycie oleju napędowego i gazu ziemnego zarejestrowano na trasie 1, charakteryzującej się większym obciążeniem dla układu napędowego pojazdu. Otrzymane wartości są zgodne z tendencjami, które wystąpiły w przypadku emisji drogowej CO 2. Ceny objętości oleju napędowego oraz sprężonego gazu ziemnego zależą od bardzo wielu czynników, m.in. lokalizacji, wielkości zamówień, umowy pomiędzy dostawcą, a odbiorcą. Jednak największy udział stanowią opłata paliwowa, podatek VAT, marża oraz akcyza [42]. W celu przeprowadzenia porównania wskaźników ekonomicznych w zakresie eksploatacji badanych rozwiązań autobusów przyjęto średnią cenę 1 dm 3 ON i 100

1 m 3 CNG w Polsce z pierwszego tygodnia marca 2015 roku, które wyniosły odpowiednio: 4,67 zł oraz 3,26 zł [69,70]. Tabela 6.1. Przebiegowe zużycie paliwa badanych pojazdów wyznaczone metodą bilansu węgla Cykl pomiarowy Autobus zasilany ON Przebiegowe zużycie paliwa [dm 3 /100 km] Autobus zasilany CNG Przebiegowe zużycie paliwa [m 3 /100 km] SORT 1 72,1 85,1 SORT 2 57,9 66,3 SORT 3 51,8 58,5 Trasa miejska 1 60 71,7 Trasa miejska 2 54,4 61,8 Porównanie kosztów przejechania dystansu 100 km w kolejnych cyklach pomiarowych wskazuje, że mniejszymi kosztami eksploatacji charakteryzuje się pojazd zasilany paliwem alternatywnym (rys. 6.46). Dla tego rozwiązania średnia kwota, w odniesieniu do pojazdu zasilanego olejem napędowym, była mniejsza o 52,75 zł/100 km, co w porównaniu względnym stanowiło 19,2% (rys. 6.47). Średni koszt zużycia paliwa dla rozwiązania konwencjonalnego wyniósł 276,65 zł/100 km, a dla pojazdu zasilanego gazem ziemnym 223,90 zł/100 km. Największe różnice wystąpiły w teście jezdnym SORT 1 59,28 zł/100 km, natomiast najmniejsze na trasie miejskiej 1 46,46 zł/100 km. W porównaniu względnym maksymalną różnicę wyznaczono dla testu SORT 3 21,2%, a najmniejszą na trasie miejskiej 1 16,6%. W pełnej analizie kosztów eksploatacji należy uwzględnić inne czynniki, które są składowymi eksploatacyjnymi. W tym celu korzysta się z innych jednostek miar, np. wozokilometrów. Jest to jednostka przyjęta w transporcie kołowym, uwzględniająca m.in. długość drogi, wykonaną pracę, czas itp. [19]. Na potrzeby pracy dokonano analizy wyłącznie opartej na zużyciu paliwa. Jako uzupełnienie wykonano symulację rentowności eksploatacji obiektów badawczych (rys. 6.48). Rys. 6.46. Porównanie kosztów przejechania dystansu 100 km w kolejnych cyklach pomiarowych 101