Aparatura badawcza

Pomiarów emisji zanieczyszczeń dokonano w rzeczywistych warunkach jazdy; po-dejście takie wymagało zamontowania układu poboru spalin na pojeździe w sposób umożliwiający jego normalną eksploatację. W tym celu wykonano układ poboru spalin, który połączony z układem pomiaru natężenia przepływu spalin stanowił system czę-ściowego poboru próbki spalin do analizatorów pomiarowych. Na rysunku 5.13 przed-stawiono schemat połączeń urządzeń pomiarowych, a na rysunku 5.14 – pojazdy z za-montowaną aparaturą do przeprowadzenia badań w rzeczywistych warunkach ruchu.

Rys. 5.13. Schemat połączeniowy urządzeń pomiarowych wykorzystanych do badań

spaliny

Semtech DS Pomiar

CO, CO2, HC, NOx

AVL 483 MSS Pomiar PM = f(t)

Pomiar PN = f(t, D) TSI 3090 EEPS

przepływomierz

rozcieńczanie spalin

T, H GPS OBD

Rys. 5.14. Pojazdy z zainstalowaną aparaturą do pomiaru emisji spalin w rzeczywistych warun-kach ruchu

Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator Semtech-DS firmy Sensors (Sensors EMission TECHnology) (tab. 5.4, rys.

5.15 i 5.16). Umożliwiał on pomiar związków szkodliwych – CO, CO2, HC oraz NOx. Do jednostki centralnej analizatora doprowadzono dodatkowo dane bezpośrednio prze-syłane z systemu diagnostycznego pojazdu oraz wykorzystano sygnał lokalizacji GPS.

Informacje zawarte w publikacjach z zakresu wykorzystania mobilnych analizatorów spalin [7, 8, 40, 41, 45–47, 70, 76] w powiązaniu z danymi rejestrowanymi z pokłado-wych systemów diagnostycznych [27, 98] potwierdzają celowość podjęcia oceny emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu z wykorzystaniem takiej aparatury pomiarowej.

Natomiast do pomiaru masy cząstek stałych posłużył mobilny analizator AVL 483 Micro Soot Sensor [19, 84]. Pomiary rozkładu wielkości cząstek stałych dokonano za pomocą spektrometru masowego 3090 EEPS firmy TSI Incorporated [71].

Tablica 5.4. Charakterystyka mobilnego analizatora Semtech-DS z odczytem systemu transmisji danych w pojeździe [8]

Parametr Metoda pomiaru Dokładność

1. Stężenie związków w spalinach

CO HC

NOx = (NO + NO2) CO2

O2

NDIR, zakres pomiarowy 0–10%

FID, zakres 0–10 000 ppm NDUV, zakres 0–3000 ppm NDIR, zakres 0–20%

analizator elektrochemiczny, zakres 0–20%

±3% zakresu pomiaru

±2,5% zakresu pomiaru

±3% zakresu pomiaru

±3% zakresu pomiaru

±1% zakresu pomiaru 2. Przepływ spalin masowe natężenie przepływu ±2,5% zakresu pomiaru 3. Czas nagrzewania 900 s

4. Czas odpowiedzi T90 < 1 s 5. Obsługiwane systemy

diagnostyczne

SAE J1850/SAE J1979/SAE 15765

Rys. 5.15. Schemat mobilnego analizatora Semtech-DS z zaznaczonymi układami dodatkowymi

Rys. 5.16. Widok analizatora Semtech-DS zamontowanego w pojeździe

Semtech-DS jest analizatorem przeznaczonym głównie do pomiaru stężenia związ-ków szkodliwych w spalinach pojazdów osobowych, ciężarowych rolniczych i budow-lanych. W wersji DS umożliwia pomiar emisji zarówno z silników zasilanych benzyną, jak i gazem ziemnym. Wszystkie podzespoły analizatora Semtech-DS zostały zaprojek-towane tak, aby jak najbardziej odpowiadały klasie laboratoryjnej urządzeń pomiaro-wych, a jednocześnie mogły sprostać specjalnym wymaganiom stawianym urządzeniom monitorującym emisję w pojazdach. Spełnienie tych założeń wymagało maksymalnego zmniejszenia masy, wielkości i zużycia energii przez urządzenie przy jednoczesnym zredukowaniu podatności na drgania, wibracje zmiany temperatury i inne czynniki ze-wnętrze mogące zniekształcić wyniki. Główną zaletą analizatora jest możliwość jego łatwego przemieszczania z jednego testu do drugiego. Może być on używany do moni-torowania emisji innych pojazdów będących w ruchu, jak również podczas statycznych testów silników na hamowni. Analizator spełnia wymagania normy 1065 [22] w zakre-sie pomiarów emisji spalin systemami PEMS. Składa się z kilku autonomicznych mo-dułów pomiarowych:

191^oC

Chłodnica 4^oC

NDUV NOx = NO + NO2

NDIR CO, CO₂ O₂

OBD/CAN GPS Wireless LAN

Filtr FID

Pobór próbki HC

sterowanie

 analizatora płomieniowo-jonizacyjnego FID (Flame Ionization Detector) stoso-wanego do oznaczania w spalinach sumarycznego stężenia węglowodorów określanych jako HC, lub THC (Total Hydrocarbons),

 analizatora typu NDUV (Non-Dispersive Ultraviolet) – niedyspersyjnego na pro-mieniowanie ultrafioletowe, przeznaczonego do stężenia pomiaru tlenku azotu oraz dwutlenku azotu,

 analizatora typu NIDR (Non-Dispersive Infrared) – niedyspersyjnego na promie-niowanie podczerwone, przeznaczonego do pomiaru stężenia tlenku węgla oraz dwu-tlenku węgla,

 analizatora elektrochemicznego do określania stężenia tlenu w spalinach.

Oprócz pomiaru stężenia szkodliwych składników spalin analizator ten umożliwia również pomiar masowego natężenia przepływu spalin (rys. 5.17).

Rys. 5.17. Widok zamontowanego w pojeździe przepływomierza spalin

Gazy spalinowe wprowadzane są do analizatora za pomocą sondy pomiarowej utrzy-mującej temperaturę 191°C, potem filtrowane są z cząstek stałych, a w kolejnym kroku następuje pomiar stężenia węglowodorów w analizatorze płomieniowo-jonizacyjnym.

W kolejnym kroku spaliny schładzane są do temperatury 4°C i następuje pomiar stężenia tlenków azotu (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowe-go, umożliwiając jednoczesny pomiar stężenia: tlenku azotu i dwutlenku azotu), tlenku węgla, dwutlenku węgla (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania pod-czerwonego) oraz tlenu (analizatorem elektrochemicznym).

Do pomiaru wielkości cząstek stałych wykorzystano analizator 3090 EEPS (Engine Exhaust Particle Sizer™ Spectrometer) firmy TSI Incorporated (rys. 5.18, tab. 5.5) [71]. Analizator umożliwiał przeprowadzenie ciągłego pomiaru rozkładu wymiarowego cząstek stałych emitowanych przez silniki badanych pojazdów.

Spektrometr umożliwia pomiar wielkości cząstek stałych w zakresie od 5,6 do 560 nm ich średnicy (22 kanały pomiarowe) z częstotliwością 10 Hz. W procesie pomiaro-wym wykorzystywana jest technika analizy mobilności elektrycznej. Wykorzystanie tej metody pozwala na analizę pełnego rozkładu wielkości z rozdzielczością 1 s, co pozwa-la wizualizować zmiany charakteru cząstek stałych w czasie rzeczywistym.

Cząstki doprowadzane są w sposób ciągły do analizatora jako strumień gazów wylo-towych z silnika. Początkowy filtr wychwytuje cząstki większe niż 1 µm, czyli będące poza zakresem pomiarowym urządzenia. Następnie cząstki kierowane są na elektrodę ładującą. Cząstki posiadające ładunek elektryczny mogą być sklasyfikowane według ich

Rys. 5.18. Widok analizatora EEPS firmy TSI do pomiaru rozkładu wymiarowego cząstek sta-łych zamontowanego w pojeździe

Tablica 5.5. Dane techniczne analizatora EEPS rozkładu cząstek stałych [71]

Parametr Wartość

Rozmiar mierzonych cząstek 5,6–560 nm

Liczba kanałów pomiarowych 16 kanałów na dekadę (32 całkowicie)

Liczba kanałów elektrod 22

Rozdzielczość 10 rozmiarów kanałów/sekundę

Przepływ próbki spalin 10 dm³/min

Przypływ sprężonego powietrza 40 dm³/min

Temperatura próbki wejściowej 10–52°C

Temperatura pracy urządzenia 0–40°C

rozmiaru. Cząstki odchylane są następnie przez wysokonapięciową elektrodę; trafiają na szczelinę pierścieniową, będącą przestrzenią między dwoma koncentrycznymi cylin-drami. Szczelinę otacza doprowadzany z zewnątrz strumień czystego powietrza. Cylin-der wylotowy zbudowany jest w formie stosu czułych odizolowanych od siebie elektrod ułożonych w formie pierścienia. Elektrody z jednej strony podłączone są do wzmacnia-cza, z drugiej – uziemione. Takie połączenie powoduje powstanie pola elektrycznego

między cylindrami zbudowanymi z elektrod. Przepływająca między nimi mieszanka świeżego powietrza i cząstek stałych (naładowanych dodatnio) odpychana jest od wy-sokonapięciowej elektrody (high voltage electrode) i kierowana między elektrody o dużej czułości. Cząstki uderzając w elektrody powodują generowanie prądu, który w czasie rzeczywistym odczytywany jest przez układ przetwarzający (rys. 5.19).

Rys. 5.19. Schemat działania analizatora rozkładu wymiarowego cząstek stałych EEPS 3090 W dalszej części pracy operuje się pojęciami: liczby cząstek, powierzchni cząstek objętości i masy. Bardziej precyzyjnym jest określenie stężenia tych wielkości, gdyż ich wartości podaje się np. jako liczbę cząstek przypadającą na jednostkę objętości czyli stężenie tych cząstek (1/cm³). Takim samym regułom podlega wyznaczanie powierzch-ni, objętości i masy cząstek. Poniżej podano zależności na podstawie których określono statystyczne rozkłady cząstek (wielkości wyznaczane przez urządzenie):

 liczba cząstek przypadająca na kanał oraz całkowita liczba cząstek (wyrażona ja-ko stężenie tych cząstek):





  Q t

n c [1/cm³] (5.21)

 rozkład powierzchniowy i całkowita powierzchnia cząstek (stężenie powierzchni cząstek)

n D

s ²_p ^



^k

i

s

S [nm²/cm³] (5.22)

 rozkład objętościowy oraz całkowita objętość (stężenie objętości cząstek):

6 n v D

3 p



  ^



^k

i

v

V [nm³/cm³] (5.23)

 rozkład masy i całkowita masa cząstek (stężenie masy cząstek):

v

m ^



^k

i

m

M [mg/m³] (5.24)

gdzie we wzorach (5.21) - (5.24):

c – liczba cząstek przypadająca na kanał pomiarowy,

n – stężenie cząstek przypadające na kanał pomiarowy [1/cm³],

s – stężenie powierzchni cząstek przypadające na kanał pomiarowy [nm²/cm³], v – stężenie objętości cząstek przypadające na kanał pomiarowy [nm³/cm³], m – stężenie masy cząstek przypadające na kanał pomiarowy [mg/m³],

 – współczynnik sprawności próbkowania na kanał,

 – współczynnik rozcieńczenia próbki,

D_p – średnica cząstki (punkt centralny kanału pomiarowego), N – całkowita liczba cząstek,

S – całkowita powierzchnia cząstek, V – całkowita objętość cząstek, M – całkowita masa,

Q – natężenie przepływu próbki, t – czas próbkowania,

 – gęstość cząstek (przyjmuje się wartość średnią dla całego zakresu wymiarowego cząstek stałych wynoszącą 1000 kg/m³),

i – dolny zakres pomiarowy, k – górny zakres pomiarowy.

Do badania masy cząstek stałych wykorzystano analizator Micro Soot Sensor firmy AVL. Zasada działania urządzenia oparta jest na pomiarze fotoakustycznym (rys. 5.20) w tzw. rezonansowej komorze pomiarowej [84]. Pozwala ona na detekcję masy w za-kresie od 5 mg/m³. Gazy spalinowe dostarczane są bezpośrednio do komory pomiaro-wej i podgrzewane przez modulowane światło laserowe. Modulowane podgrzewanie prowadzi do periodycznych pulsacji ciśnienia, które są odbierane na detektorze – mikro-fonie, jako fala dźwiękowa. Następnie sygnał podlega wzmocnieniu i odfiltrowaniu.

Podstawowe dane techniczne urządzenia do pomiaru masy cząstek stałych przedstawio-no w tablicy 5.6.

Rys. 5.20. Zasada działania analizatora Micro Soot Sensor firmy AVL Modulowane

światło laserowe

Mikrofon Komora

pomiarowa

Przepływ spalin

Fala dźwiękowa

Tablica 5.6. Dane techniczne urządzenia Micro Soot Sensor firmy AVL [84]

Parametr Wartość

Wielkość mierzona Stężenie cząstek stałych (mg/m³, μg/m³)

Zakres pomiarowy 0,005–50 mg/m³

Rozdzielczość 0,001 mg/m³

Limit detekcji ~5 μg/m³

Szybkość transmisji danych: cyfrowe: do 5 Hz

analogowe: 100 Hz

Czas odpowiedzi ≤ 1 s

Wielkość próbki/przepływ by-pass 2 + 2 dm³/min (całkowita próbka ~ 4 dm³/min) Stopień rozcieńczenia (DR) skalowalny w zakresie 2–10 oraz 10–20

Błąd wskazań max. ±3% w zakresie DR 2–10,

max. ±10% w zakresie DR 10–20

Dopuszczalna temperatura spalin do 1000°C

Widok zamontowanych analizatorów spalin do pomiaru cząstek stałych przedsta-wiono na rysunku 5.18, na którym po lewej stronie znajduje się analizator do pomiaru rozkładu średnicowego cząstek stałych (EEPS 3090), natomiast po prawej stronie anali-zator do pomiaru stężenia cząstek stałych (AVL MSS).

W dokumencie Analiza parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym (CNG) w rzeczywistych warunkach eksploatacji (Stron 59-66)