Analiza rzeczywistych obciążeń obiektów badawczych

W celu poznania poziomów rzeczywistych emisji zanieczyszczeń jako bazowe obiekty badawcze przyjęto dwie maszyny non-road z najpopularniejszych grup eksplo-atowanych w Polsce – maszynę rolniczą i budowlaną. Moc ich silników również wy-brano na podstawie struktury pojazdów eksploatowanych w Europie [14, 42] tak, by reprezentowały najpopularniejszy zakres mocy. Wybrane pojazdy cechowały się silni-kami o zbliżonych parametrach, spełniających podobne normy homologacyjne (Stage IIIA i IIIB). Do mierzonych składników należały CO, HC, PM i PN. Nie mierzono emi-sji NOx, gdyż zastosowany proces retrofittingu i cel pracy dotyczyły oceny emisji PM i PN.

Pierwszym obiektem był ciągnik rolniczy spełniający standard Stage IIIA. Koparka, będąca drugą maszyną badawczą, jako konstrukcja nowsza, spełniała normę Stage IIIB, co uzyskano w badaniach homologacyjnych bez użycia DPF w układzie wylotowym.

W układzie wylotowym obydwu obiektów zastosowany był reaktor DOC, a maszyna budowlana posiadała dodatkowo system SCR (tabl. 5.4). Wykonane badania dotyczyły pomiaru warunków pracy (zmienności prędkości obrotowej i obciążenia) oraz ocenę emisji spalin nieoczyszczonych z PM i PN w rzeczywistej eksploatacji obydwu maszyn.

W czasie przeprowadzania pomiarów ciągnik wykonywał operację siewu pszenżyta, a koparka przekopywała glebę na placu badawczym (rys. 5.4). Obydwie maszyny były używane przez wykwalifikowanych operatorów. Masa aparatury badawczej i osprzętu w porównaniu do masy maszyn była na tyle mała, że zaniechano uwzględniania jej przy obróbce wyników badań.

Tablica 5.4. Dane techniczne silników badanych maszyn [40]

Badany obiekt Ciągnik rolniczy Koparka

Objętość skokowa [dm³] 6,8 7,1

Liczba i układ cylindrów [–] 6, rzędowy 6, rzędowy Maksymalna moc [kW] 130 przy 2100 obr/min 122 przy 2200 obr/min Maksymalny moment obrotowy [Nm] 840 przy 1600 obr/min 804 przy 1400 obr/min

Układy oczyszczania spalin DOC DOC, SCR

Norma homologacyjna Stage IIIA Stage IIIB

a b

Rys. 5.4. Widok maszyn podczas badań: a – ciągnik rolniczy, b – koparka

Analiza warunków pracy w pierwszej kolejności obejmuje ocenę zmienności pręd-kości obrotowej wału korbowego i obciążenia w czasie. Wyniki dla obydwu obiektów badawczych zostaną omówione osobno. Na przebiegu parametrów pracy ciągnika rol-niczego zauważyć można powtarzające się segmenty, w czasie których prędkość obro-towa była na ustalonym poziomie, a obciążenie uwzględniające straty własne silnika oscyluje między wartościami od 22% do 100% (rys. 5.5). W czasie pracy jednostka utrzymuje stałą prędkość obrotową wału korbowego nastawianą przez operatora, a praca na biegu jałowym spowodowana były manewrami nawracania maszyny. Zmiany mo-mentu obrotowego wywołane są głównie oporami ruchu wynikającymi z różnic w ukształtowaniu terenu oraz zmienności oporu w ramach wykonywanych operacji przez NRMM.

Uzyskane punkty pracy przedstawiono graficznie we współrzędnych prędkości ob-rotowej oraz obciążenia (rys. 5.6). Umieszczono na nich również punkty testu homolo-gacyjnego NRSC oraz określono procentowo czas pracy w ramach tych punktów. Za zakres przy obliczaniu procentowego udziału czasu pracy w punktach cyklu homologa-cyjnego uznano obciążenie z dokładnością ±5% oraz prędkość obrotową w zakresie ±50 obr/min danego punktu cyklu NRSC. Podczas pomiarów, czas nieprzerwanej pracy cią-gnika wynosił 3521 s, a koparki 4602 s. Punkty obliczono zgodnie z wymogami zawar-tymi w normie homologacyjnej na podstawie charakterystyki zewnętrznej silników po-chodzącej z dokumentacji technicznej producentów [40].

Rys. 5.5. Przebieg prędkości obrotowej i obciążenia silnika ciągnika w czasie

Uzyskanych wyników badań nie poddano analizie w stosunku do testu NRTC, gdyż odwzorowanie cyklu na statycznej hamowni silnikowej oraz przez wał odbioru mocy obarczone jest zbyt dużymi błędami. Ponadto cykl cechuje się małą powtarzalnością, która wymagana jest do porównywania uzyskiwanych wyników. Ponadto, przeprowa-dzenie cyklu dynamicznego wymagałoby demontażu silnika z pojazdu i umieszczeniu go na dedykowanym dynamicznym stanowisku hamulcowym.

` Rys. 5.6. Porównanie punktów pracy silnika ciągnika do testu NRSC

0 20 40 60 80 100 120

0 500 1000 1500 2000 2500

Obciążenie [%]

Prędkość obrotowa [obr/min]

Uzyskane pole pracy cechuje się nieregularnym kształtem. Zagęszczenie punktów występuje w zakresie do około 65% maksymalnego obciążenia i są to obszary występu-jące głównie podczas dojazdu oraz manewrów. W czasie siewu silnik pracuje przy dłużonym polu pracy od około 25% do 100% obciążenia przy prędkości obrotowej wy-noszącej 1600 obr/min. Rozkład rzeczywistych punktów pracy silnika w porównaniu do testu homologacyjnego NRSC mocno się różni, niektóre punkty z testu nie posiadają żadnych rzeczywistych obszarów eksploatacji w swoim obrębie.

Dla koparki uzyskano większą zmienność parametrów w czasie (rys. 5.7). Obciąże-nie zmienia się w pełnym możliwym zakresie 0–100% (zarejestrowane wartości uwzględniają straty wewnętrzne silnika). Na otrzymanej charakterystyce wyróżnić można trzy główne obszary pracy (dla prędkości obrotowej wału korbowego odpowied-nio 1100 obr/min, 1300 obr/min i 1500 obr/min). Pozostałe obszary obejmowały prace manewrowe.

Rys. 5.7. Przebieg prędkości obrotowej i obciążenia silnika koparki w czasie

Obszar pracy silnika również różni się znacznie swoim przebiegiem w odniesieniu do wytycznych homologacyjnych (rys. 5.8). W rzeczywistej eksploatacji jest ono więk-sze, odmienne od 9 punktów cyklu NRSC. Widoczne jest występowanie większej liczby punktów przy mniejszych prędkościach obrotowych, gdzie maksimum to 1600 obr/min, ograniczane w czasie pracy przez sterownik silnika, natomiast cykl homologacyjny przewiduje występowanie punktów pomiarowych nawet przy 1900 obr/min.

Rys. 5.8. Porównanie punktów pracy koparki do testu NRSC

0 20 40 60 80 100 120

0 500 1000 1500 2000

Obciążenie [%]

Prędkośc obrotowa [obr/min]

Procentowy udział czasu pracy dla silnika koparki w stosunku do punktów pracy testu NRSC przedstawiono w tablicy 5.5. Przedstawione wyniki jednoznacznie wska-zują na odrębność punktów pracy w warunkach rzeczywistych. Sumaryczny czas pracy w ramach punktów z testu wynosi dla rozpatrywanych obiektów badawczych odpo-wiednio 7% i 5%. Przedstawione zależności udowadniają, że testowanie maszyn w ra-mach punktów pracy cyklu NRSC nie będzie skutecznym sposobem na weryfikacje pro-cesu retrofittingu, gdyż w bardzo niewielkim stopniu odwzorowuje rzeczywiste warunki eksploatacji. Za to metodyka jego przeprowadzania nadaje się do przeprowadzania ba-dan porównawczych przez dobrą powtarzalność pomiarów.

Tablica 5.5. Procentowy udział czasu pracy badanych obiektów w punktach pracy testu NRSC Punkt pracy/

obiekt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Suma Ciągnik 0% 0% 0% 2% 1% 0% 0% 4% 0% 0% 0% 0% 0% 7%

Koparka 2% 0% 0% 0% 1% 1% 0% 1% 0% 0% 0% 0% 0% 5%

W ramach realizacji celu pracy, opracowano test statyczny, który w większym stop-niu odwzorowuje warunki rzeczywistej eksploatacji. Temat niezgodności punktów pracy podjęto w [17, 33, 86, 96], a kompleksowo zajęto się nim w [34]. Ze względu na mnogość maszyn należących do grupy NRMM przeprowadzono jego autorskie uszcze-gółowienie do maszyn budowlanych i rolniczych. Na podstawie analizy punktów pracy wyznaczono 7 punktów pracy o różnej wadze. W stosunku do cyklu homologacyjnego NRSC, punkty zmieniły swoje położenie w stronę mniejszych wartości obciążeń oraz uzyskiwanych prędkości obrotowych wału korbowego (tabl. 5.6, 5.7, rys. 5.9). W dalszej części pracy opracowany test będzie nazywany NRSC–PUT.

Tablica 5.6. Punkty pracy NRSC–PUT

Parametr testu Punkty pracy

1 2 3 4 5 6 7

Obciążenie [%] 90 65 40 80 55 30 0

Prędkość obrotowa [%] N90% N60% njał

Rys. 5.9. Graficzne przedstawienie punktów pracy zaproponowanego NRSC–PUT

gdzie: prędkość obrotowa mocy – prędkość obrotowa wału korbowego przy której silnik generuje daną wartość odniesioną do mocy maksymalnej; wielkość punktu stanowi udział punktu do obliczeń

1

Tablica 5.7. Udziały poszczególnych faz NRSC–PUT

Parametr testu Punkt pracy

1 2 3 4 5 6 7

Udział fazy 0,10 0,10 0,10 0,20 0,10 0,15 0,25