Aparatura do pomiarów zużycia paliwa i emisji substancji szkodliwych

Pomiary zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin, przeprowadzone w ramach realizacji pracy, wymagały zastosowania specjalistycznej aparatury do badań toksyczności spalin. Z racji charakteru wykonywanych badań – w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdów – użyta została mobilna aparatura badawcza typu PEMS (Portable Emissions Measurement System) [17, 67, 68]. Posiadanie tego rodzaju aparatury badawczej pozwoliło na określenie składu spalin oraz sprawności przetwarzania przez silniki energii chemicznej pochodzącej z paliwa (wartości zużycia paliwa przez pojazdy).

Do pomiarów wykorzystana została następująca aparatura:

‒ analizator do badań toksyczności spalin SEMTECH-DS firmy Sensors Inc.

(Sensors) – pomiar stężenia związków gazowych,

‒ analizator do badań emisji cząstek stałych SEMTECH-LAM (Laser Aerosol Monitor) firmy Sensors – pomiar stężenia i masy cząstek stałych,

‒ Micro Soot Sensor firmy AVL List GmbH (AVL) – pomiar stężenia i masy stężenia gazowych związków szkodliwych w spalinach, takich jak: CO, CO₂, HC i NO_x (tab. 5.4). Elementami składowymi opisywanej aparatury badawczej są przede wszystkim [69, 71]:

‒ zestaw kilku analizatorów, przeznaczonych do określania zawartości poszczególnych gazowych substancji szkodliwych w spalinach,

‒ przepływomierz spalin; o różnej średnicy, zależnej od wydatku spalin z układu wylotowego pojazdu (rys. 5.8),

‒ moduł pozwalający na akwizycję danych z systemu diagnostyki pokładowej pojazdu OBD,

‒ moduł umożliwiający komunikację z systemem lokalizacji GPS; dzięki temu istnieje możliwość naniesienia wyników pomiarów na trasę przejazdu.

Rys. 5.5. Mobilny analizator do badań toksyczności spalin SEMTECH-DS firmy Sensors [35]

Rys. 5.6. Urządzenie pomiarowe SEMTECH-DS w trakcie montażu w pojeździe

Jednym z analizatorów wchodzących w skład urządzenia SEMTECH-DS jest analizator niedyspersyjny na podczerwień NDIR (Non-Dispersive InfraRed). Ta niedyspersyjna metoda pomiaru z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego pozwala wyznaczyć stężenie tlenku i dwutlenku węgla w spalinach. Kolejnymi z analizatorów, będących elementami budowy opisywanej aparatury badawczej, są NDUV (Non-Dispersive UltraViolet) oraz FID (Flame Ionization Detector). Pierwszy z nich umożliwia pomiar stężenia tlenków azotu, natomiast drugi służy do określenia zawartości węglowodorów w spalinach.

Zasada działania analizatora SEMTECH-DS polega głównie na tym, że gazy spalinowe są do niego wprowadzane za pomocą sondy pomiarowej, znajdującej się na końcu przewodu, podgrzewanego do temperatury 191ºC (rys. 5.7). Następnie spaliny są filtrowane z cząstek stałych (w przypadku silników ZS) i następuje pomiar stężenia

Rys. 5.7. Schemat budowy mobilnego analizatora SEMTECH-DS [69, 71]

Tabela 5.4. Charakterystyka mobilnego analizatora spalin SEMTECH-DS [69, 71]

Parametr Metoda pomiaru Dokładność

1. Stężenie związków 2. Przepływ spalin masowe natężenie przepływu

T_max do 700 C

±2,5 %

±1 % zakresu 3. Czas nagrzewania 15 min

4. Czas odpowiedzi T₉₀ < 1 s

Opisywana mobilna aparatura pomiarowa, oprócz pomiaru stężenia poszczególnych gazowych substancji szkodliwych w spalinach, umożliwia również pomiar masowego natężenia przepływu spalin (wspominany przepływomierz). Jest to niezbędne do obliczania emisji tych związków (np. drogowej, jednostkowej). Należy pamiętać, z racji różnej objętości skokowej silników napędzających pojazdy, różny jest też wydatek spalin. Stąd konieczne jest dobieranie do badań przepływomierzy spalin o odpowiedniej średnicy (rys. 5.8). Urządzenie SEMTECH-DS, wykorzystując tzw.

metodę bilansu masy węgla (carbon balance), pozwala wyznaczyć ponadto przebiegowe zużycie paliwa przez dany pojazd.

Rys. 5.8. Przepływomierz spalin zamontowany w układzie wylotowym

Oceny emisji cząstek stałych dokonano m.in. z wykorzystaniem analizatora Micro Soot Sensor firmy AVL, łącznie z układem kondycjonowania próbki – układem rozcieńczania spalin powietrzem (rys. 5.9 i 5.10a). Zestaw ten umożliwia ciągły pomiar stężenia PM w rozcieńczonych spalinach. Zasada działania układu jest oparta na pomiarze fotoakustycznym (PASS – Photo Acoustic Soot Sensor) w tzw. rezonansowej

komorze pomiarowej. Wykorzystanie metody fotoakustycznej pozwala na detekcję stężenia cząstek stałych w zakresie 0–50 mg/m³. Pomiar cząstek – urządzenie mierzy część węglową PM – polega na znacznej absorpcji modulowanego światła laserowego przez cząstki sadzy. Skutkuje to okresowym (przemiennym) ogrzewaniem i chłodzeniem gazu nośnego (pulsacje ciśnienia w komorze pomiarowej), a powstająca fala dźwiękowa jest rejestrowana przez mikrofony. Następnie sygnał podlega wzmocnieniu i odfiltrowaniu. Podstawowe dane techniczne analizatora MSS przedstawiono w tabeli 5.5.

Rys. 5.9. Schemat działania analizatora do pomiaru stężenia cząstek stałych MSS firmy AVL [5]

Tabela 5.5. Dane techniczne analizatora do pomiaru emisji cząstek stałych [5]

Zakres działania 050 mg/m³

Rozdzielczość 0,001 mg/m³

Czas odpowiedzi < 1 s

Stopień rozcieńczenia 1:5000

Temperatura próbki spalin 543 C

Przepływ spalin 2 dm³/min

Napięcie zasilające 230 V, 500 W

Błąd wskazań maks. ±3 % w zakresie DR 210, maks. ±10 % w zakresie DR 1020 Dopuszczalna temp. spalin do 1000 C

a) b)

Rys. 5.10. Aparatura służąca do pomiaru zawartości cząstek stałych w spalinach [5, 37]:

a) AVL Micro Soot Sensor, b) TSI Engine Exhaust Particle Sizer 3090

Do pomiaru rozkładu średnic cząstek stałych wykorzystano spektrometr masowy firmy TSI – EEPS 3090 (rys. 5.10b). Spektrometr umożliwiał ciągły pomiar rozkładu wielkości PM emitowanych przez silnik badanych pojazdów. Analizatory tego typu umożliwiają pomiar zawartości cząstek stałych dla dyskretnego zakresu średnic cząstek (od 5,6 do 560 nm), na podstawie zróżnicowanej ich prędkości (tab. 5.6). Zakres elektrycznej ruchliwości cząstek jest zmieniany wykładniczo, a pomiar wielkości PM odbywa się z częstotliwością 10 Hz.

Rys. 5.11. Schemat działania analizatora rozkładu cząstek stałych EEPS 3090 [37]

Tabela 5.6. Dane techniczne spektrometru masowego firmy TSI [37]

Rozmiar mierzonych cząstek 5,6560 nm

Liczba kanałów pomiarowych 16 kanałów na dekadę (32 całkowicie)

Liczba kanałów elektrod 22

Rozdzielczość 10 rozmiarów kanałów/s

Przepływ próbki spalin 10 dm³/min

Przypływ sprężonego powietrza 40 dm³/min

Temperatura próbki wejściowej 1052 C

Temperatura pracy urządzenia 040 C

Zasada działania urządzenia EEPS jest następująca: cząstki stałe doprowadzane są do analizatora jako strumień gazów wylotowych z silnika (rys. 5.11). Początkowy filtr wyłapuje cząstki większe niż 1 µm, czyli takie będące poza zakresem pomiarowym urządzenia. Następnie są one kierowane na elektrodę ładującą, gdzie wytwarzane są jony. Połączenie cząstek stałych i ładunku elektrycznego pozwala sklasyfikować je według rozmiaru. Następnie cząstki trafiają na szczelinę pierścieniową, która jest przestrzenią między dwoma koncentrycznymi cylindrami. Szczelinę otacza strumień czystego powietrza (doprowadzany z zewnątrz). Cylinder wylotowy zbudowany jest w formie stosu elektrod o dużej czułości, ułożonych w formie pierścienia w taki sposób, iż są od siebie izolowane. Elektrody z jednej strony podłączone są do wzmacniacza,

z drugiej zaś uziemione. Powoduje to powstanie pola elektrycznego między cylindrami zbudowanymi z elektrod. Przepływająca pomiędzy nimi mieszanka świeżego powietrza i cząstek stałych, które (naładowane dodatnio) odpychane są od wysokonapięciowej elektrody i kierowane między „czułe” elektrody. Cząstki, uderzając w elektrody, powodują wytwarzanie prądu, który w czasie rzeczywistym odczytywany jest przez sterownik. Całość obsługiwana jest przez oprogramowanie, umożliwiające obserwację wyników w czasie rzeczywistym na wewnętrznym ekranie urządzenia lub ekranie komputera, podłączonego do niego.

W związku z tym, że wykorzystywana w badaniach mobilna aparatura pomiarowa typu PEMS (rys. 5.125.14) wymagała stałego zasilania, którego nie można było zaadaptować z badanych pojazdów, zastosowano dodatkowe urządzenia niezbędne do prowadzenia pomiarów (rys. 5.15 i 5.16). Wykorzystano do tego celu dodatkowe źródła zasilania w postaci akumulatorów o dużej gromadzonej energii (235 A·h) oraz agregatów prądotwórczych o mocy 2 kW (każdy).

Rys. 5.12. Aparatura pomiarowa typu PEMS zamontowana w pojeździe

Rys. 5.13. Aparatura pomiarowa typu PEMS zamontowana w ładowniach samochodów ciężarowych

SPRĘŻARKA POWIETRZA DR

(stopień rozcieńczenia)

MSS

EEPS PC

PC SPALINY

+ 1 bar

SEMTECH-DS PRZEPŁYWOMIERZ przewód grzany

SPRĘŻARKA POWIETRZA DR

(stopień rozcieńczenia)

SEMTECH-LAM

PC

PC SPALINY

+ 1 bar

SEMTECH-DS PRZEPŁYWOMIERZ przewód grzany

Rys. 5.14. Schemat połączenia urządzeń wykorzystywanych do badań emisji spalin [45, 53]

Rys. 5.15. Aparatura pomiarowa typu PEMS zamontowana w samochodzie osobowym

Rys. 5.16. Aparatura pomiarowa typu PEMS zamontowana w samochodzie dostawczym