Aparatura do badań energochłonności i emisji zanieczyszczeń

Do pomiaru energochłonności i emisji zanieczyszczeń wykorzystano mobilne przyrządy z grupy PEMS, przy pomocy których mierzono:

a) stężenia CO, CO2, HC, THC i O2,

b) masowe natężenie przepływu, temperaturę i ciśnienie gazów wylotowych, c) temperaturę, ciśnienie i wilgotność powietrza atmosferycznego,

d) prędkości i położenie pojazdu,

e) podstawowe parametry pracy silnika spalinowego rejestrowane z układu diagnostycznego pojazdu.

Aparatura PEMS jest stosowania głównie w pomiarach emisji zanieczyszczeń z pojazdów kategorii PC, HDV oraz NRMM w warunkach rzeczywistej eksploatacji.

Pomiary te określane są jako RDE. Jednak w przypadku niniejszej rozprawy procedura ta zastosowana została do wyznaczenia strat wylotu silników spalinowych w warunkach drogowych i laboratoryjnych, wyznaczenia parametrów termodynamicznych gazów wylotowych oraz rzeczywistych cykli jezdnych pojazdu. Dane te wykorzystano w celu określenia założeń do konstrukcji generatorów ATEG. Aparaturę PEMS użyto również w pomiarach walidacyjnych wykonywanych na silnikowych stanowiskach hamulcowych.

Do badań wykorzystano dwa przyrządy: Semtech DS i Semtech-Ecostar firmy Sensors Inc. Semtech DS jest jednym z pierwszych kompaktowych systemów do pomiarów emisji zanieczyszczeń w warunkach rzeczywistej eksploatacji. Składa się z jednostki centralnej, przepływomierza do pomiaru masowego natężenia przepływu, temperatury i ciśnienia gazów wylotowych. Próbka gazów wylotowych z układu wylotowego doprowadzana jest do jednostki centralnej za pomocą przewodu grzanego, który utrzymuje temperaturę 191^oC (rys. 6.1). Ma to na celu zapobieganie kondensacji frakcji węglowodorowych na ściankach przewodu [10, 74].

Rys. 6.1. Schemat ideowy mobilnego przyrządu Semtech DS

Pobrana próbka gazów wylotowych w pierwszej kolejności przechodzi przez filtr, który zatrzymuje PM. Następnie próbka trafia do analizatora płomieniowo-jonizacyjnego FID (Flame Ionization Detector), gdzie dokonywany jest pomiar stężenia

THC. Kolejno próbka gazów wylotowych jest schładzana do 4^oC i dokonywany jest kolejno pomiar NOx = (NO + NO2) w analizatorze NDUV (Non-Dispersive Ultraviolet) oraz CO, CO2 i HC w analizatorze NDIR (Non-Dispersive Infrared). Ostatnim etapem jest pomiar stężenia O2, który wykonywany jest za pomocą czujnika elektrochemicznego (tab. 6.1). Przyrząd Semtech DS wyposażony jest we własną stację meteorologiczną umożliwiającą pomiar temperatury, ciśnienia oraz wilgotności powietrza atmosferycznego. Pomiar tych wielkości odbywa się za pomocą czujnika, który instalowany jest na zewnątrz pojazdu. Możliwy jest także pomiar położenia i prędkości pojazdu za pomocą układu GPS (Global Positioning System), montowanwgo na zewnątrz pojazdu. Przyrząd umożliwia połączenie (za pomocą adapterów) z siecią diagnostyczną OBD, CAN silnika pojazdu i rejestrację podstawowych parametrów pracy jednostki napędowej. Obsługiwana jest większość protokołów transmisji danych [72]. W przypadku niniejszej rozprawy doktorskiej było to istotne, ponieważ z uwagi na możliwość rejestracji zużycia paliwa z systemu CAN pojazdów kategorii HDV i jej porównanie z wyznaczonym zużyciem paliwa za pomocą metody bilansu węgla.

Tab. 6.1. Charakterystyka przyrządu Semtech DS [99]

Jednostka centralna

Mierzony związek Analizator/czujnik Zakres Dokładność

THC FID 0–40 000 ppm ±2%

Mierzony parametr Zakres Dokładność Czas odpowiedzi

Temperatura -39–60^oC ±0,2^oC –

Wilgotność względna 0,8–100% ±2% (0,8–90%)

±3% (90–100%) T₉₀ < 10 s Ciśnienie atmosferyczne 0,015–0,115 MPa ±1,5% T₉₀ < 4 s

Moduły do odczytu i rejestracji danych z systemu diagnostycznego Typ pojazdu Obsługiwany protokół transmisji danych

PC i LDV SAE–J1850 PWM, SAE–J1850 VPW, ISO–9141-2,

ISO–14230 (KWP-2000), ISO–15765 (CAN), ISO–11898 (CAN)

HDV SAE–J1708, SAE–1587, SAE–J1939 / SAE–1587 (CAN)

Pomiar masowego natężenia przepływu gazów wylotowych w przyrządzie Semtech DS odbywa się za pomocą przepływomierza wykorzystującego zwężkę Pitota.

Jej zasada działania opiera się na wykorzystaniu równania Bernoulliego i równania ciągłości przepływu:

gdzie: ṁ – masowe natężenie przepływu, A – średnica przepływomierza, K(RE) – współczynnik wpływu średnicy przepływomierza na pomiar w funkcji liczby Reynoldsa, ρ – gęstość gazów wylotowych, Δp – różnica ciśnienia wysokiego pW i niskiego p_N.

Gęstość gazów wylotowych jest obliczana w oprogramowaniu przyrządu Semtech DS w oparciu o ich ciśnienie, temperaturę zmierzoną w przepływomierzu oraz masę molową, która wyznaczana jest na podstawie zmierzonego stężenia związków występujących w gazach wylotowych (rys. 6.2). Parametrem charakteryzującym każdy z przepływomierzy jest jego średnica podawana w calach. Decyduje ona o doborze przepływomierza do badanego silnika. Producent podaje również maksymalne wartości masowego natężenia przepływu gazów wylotowych, jakie mogą być mierzone przez dany przepływomierz (rys. 6.3) [71, 111].

Rys. 6.2. Przekrój sekcji pomiarowej przepływomierza [111]

Rys. 6.3. Maksymalne wartości masowego natężenia przepływu w zależności od średnicy przepływomierza [111]

Kolejnym przyrządem z linii Semtech wykorzystanym do badań był Semtech-Ecostar – następca przyrządu Semtech DS. Zasadniczą różnicą między tymi przyrządami jest to, że Semtech-Ecostar jest zbudowany z osobnych modułów (rys . 6.4a, tab. 6.2) [100]:

a) moduł FEM (Fuel Economy Meter) do pomiaru stężenia CO2, CO, HC (analizator NDIR),

b) moduł NOx do pomiaru stężenia NOx = (NO + NO2) – analizator NDUV, c) moduł FID do pomiaru THC – analizator FID,

d) moduł PDM (Power Distribustion Module) będący źródłem zasilania poszczególnych składowych.

W przypadku wykorzystywania wszystkich modułów (części gazowej) należy je połączyć ze sobą za pomocą przewodów komunikacyjnych CAN (zielone linie na rys. 6.4b). Moduł FEM połączony jest za pomocą przewodu z przepływomierzem do pomiaru parametrów termodynamicznych gazów wylotowych (masowe natężenie przepływu, temperatura i ciśnienie). Przewodem tym dostarczana jest próbka gazów wylotowych, która po przejściu przez analizator NDIR (pomiar CO2, CO i HC) kierowana jest za pomocą trzech złącz do modułu NO_x, w którym dokonywany jest pomiar NO i NO2. Oprócz próbki specjalnym przewodem przesyłany jest sygnał z układu pozycjonowania pojazdu GPS oraz czujnika pogodowego, które są podłączone do przepływomierza. Do modułów PDM, FEM i NO_x przez złącze AUX2 podłączany jest komputer sterujący oraz przetwornik sygnału z układu diagnostycznego pojazdu.

Sygnał z modułu zasilającego przewód grzany kierowany jest do modułu FID. Przyrząd Semtech-Ecostar może być zasilany przez moduł PDM, do którego napięcie elektryczne

dostarczane jest z sieci lub z akumulatora. Istnieje również możliwość bezpośredniego podłączenia napięcia zasilającego moduły z sieci elektrycznej. Ze względu na budowę modułową przyrządu możliwe jest wykonywanie pomiarów wszystkich związków gazowych jednocześnie lub osobno przy wykorzystaniu pojedynczych modułów [72].

a) b)

Rys. 6.4. Mobilny przyrząd Semtech-Ecostar: a) widok ogólny, b) schemat działania Tab. 6.2. Charakterystyka przyrządu Semtech-Ecostar [100]

Moduł FEM

Mierzony związek Analizator/czujnik Zakres Dokładność CO

Mierzony związek Analizator Zakres Dokładność

NO NDUV 0–3000 ppm

NO₂ 0–500 ppm ±2%

Moduł FID

Mierzony związek Analizator Zakres Dokładność

THC FID 0–30 000 ppm ±1%

Moduły do odczytu i rejestracji danych z systemu diagnostycznego Typ pojazdu Obsługiwany protokół transmisji danych

PC i LDV SAE–J1850 PWM, SAE–J1850 VPW, ISO–9141-2,

ISO–14230 (KWP-2000), ISO–15765 (CAN), ISO–11898 (CAN)

HDV SAE–J1708, SAE–1587, SAE–J1939 / SAE–1587 (CAN)