Aparatura pomiarowa

Do oceny emisji zanieczyszczeń spalin wykorzystuje się przenośne przyrządy typu PEMS.

Tego typu przyrządy mogą być wykorzystywane zarówno w badaniach pojazdów (lub sa-mych silników) oraz maszyn pozadrogowych, z silnikami zasilanymi różnego rodzaju pali-wami (olejem napędowym, benzyną, CNG lub LPG). Do tego celu potrzebny jest niekiedy dodatkowy zestaw filtrów lub urządzeń rozcieńczających gazy wylotowe. Opisywane przy-rządy charakteryzują się z reguły częstotliwością próbkowania 1 Hz.

Wymagania związane z przyrządami pomiarowymi PEMS do analizy spalin zawarto w rozporządzeniach [86–92]. Muszą one umożliwiać:

 pomiar stężenia: tlenku węgla i dwutlenku węgla (metodą niedyspersyjną na podczer-wień), węglowodorów, w tym metanu i związków niemetanowych (metodą płomienio-wo-jonizacyjną), tlenków azotu (metodą chemiluminescencyjną lub niedyspersyjną na ultrafiolet), tlenu (metodą elektrochemiczną) oraz pomiar liczby cząstek stałych,

 pomiar masowego natężenia spalin m.in. metodą z wykorzystaniem rurki Pitota, prze-pływomierza ultradźwiękowego lub wirowego; dopuszcza się obliczanie masowego na-tężenia spalin na podstawie pomiarów przepływu powietrza i przepływu paliwa,

 pomiar prędkości pojazdu; dopuszcza się stosowanie metod z wykorzystaniem systemu GPS (pomiar prędkości pojazdu i wysokości n.p.m.) lub systemu diagnostycznego po-jazdu (pomiar prędkości popo-jazdu) skorygowanego z mapą sieci drogowej lub mapą to-pograficzną w celu ustalenia wysokości n.p.m.,

 odczyt informacji z sieci diagnostycznej pojazdu z częstotliwością co najmniej 1 Hz (m.in. prędkość pojazdu, parametry pracy silnika itp.),

 pomiar parametrów otoczenia, m.in. temperatury zewnętrznej, ciśnienia otoczenia oraz wilgotności względnej.

Producenci pojazdów ze względu na zmieniające się coraz bardziej restrykcyjne normy emisji zanieczyszczeń spalin, bardziej udoskonalają silniki spalinowe, tak aby charakteryzo-wały się one zmniejszoną emisją jednostkową. W związku z tym konieczne było również do-stosowanie zakresów pomiarowych przyrządów typu PEMS, które charakteryzują się coraz większą doskonałością pomiarową.

Przyrządy PEMS przez użycie odpowiednich czujników i wykorzystanie algorytmów obli-czeniowych umożliwiają precyzyjne pomiary stężenia i natężenia emisji zanieczyszczeń spa-lin i wyznaczenie emisji drogowej i jednostkowej tych zanieczyszczeń.

W badaniach własnych w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego, do pełnej analizy ekologicznej wskaźników pracy autobusów wykorzystano przyrządy SEMTECH DS firmy Sensors Inc. [97–99]. Wykorzystany w badaniach przyrząd był lokowany w autobusie, a do układu wylotowego był przyłączany przepływomierz do pomiaru natężenia przepływu spalin (dobierany w zależności od objętości skokowej silnika autobusu) wraz z podgrzewaną do temp. 191C sondą pomiarową. Utrzymanie temperatury w sondzie zapobiegało wykraplaniu się węglowodorów przed dokonaniem pomiaru ich stężenia. Pobrana próbka spalin była fil-trowana w celu usunięcia cząstek stałych. W tabeli 4.6 przedstawiono parametry techniczne przyrządu (SEMTECH DS).

Tab. 4.6. Dane techniczne przyrządu pomiarowego SEMTECH DS [98, 99]

Parametry Metoda pomiarowa Zakres pomiarowy Dokładność CO

Przepływ spalin masowe natężenie przepływu Tmax< 700C 2,5%

Czas odpowiedzi – T90 < 1s –

Przyrząd umożliwia pomiar stężenia węglowodorów (THC) w analizatorze płomieniowo- -jonizacyjnym FID (Flame Ionization Detector). W następnej kolejności próbka jest schła-dzana i określana jest stężenie NO_x (NO i NO₂) przy wykorzystaniu analizatora ultrafioleto-wego NDUV (Non-Dispersive Ultra Violet). Następnie realizowany jest pomiar stężenia CO i CO2. Wykorzystywany jest do tego niedyspersyjny analizator promieniowania podczerwo-nego NDIR (Non-Dispersive Ifra Red). W dalszym etapie wyznaczane jest stężenie tlenu.

Służy do tego czujnik elektrochemiczny. Dodatkowy analizator THC umożliwia pomiar stę-żenia CH4.

Przyrząd SEMTECH DS poza rejestracją stężenia zanieczyszczeń spalin pozwala również na rejestrację danych z pokładowego systemu diagnostycznego pojazdu, układu pozycjono-wania GPS (Global Positioning System) oraz aktualnych parametrów warunków atmosfe-rycznych (ciśnienie atmosferyczne, temperatura otoczenia, wilgotność).

Pomiar natężenia przepływu spalin odbywa się z wykorzystaniem sond pomiarowych o średnicach: 2”, 2,5”, 3”, 4” oraz 5” (tab. 4.7) [99]. Dobiera się je zależnie od objętości sko-kowej silnika. Istotną kwestią jest też stan cieplny układów pomiarowych przepływomierza, dla zapewnienia stabilnych wskazań czas jego nagrzewania wynosi od 10 min do 20 min. Na rys. 4.12 przedstawiono nominalne wartości natężenia przepływu dla poszczególnych typów przepływomierzy [99].

W obliczeniach efektów ekonomiczno-środowiskowych stosowania sprężonego biometanu w badanych autobusach miejskich korzystano z literatury [40, 68, 77, 94, 107, 110]. Obliczeń zużycia paliwa obiektów badawczych dokonywano przy wykorzystaniu wzorów obliczenio-wych zgodnie z metodą bilansu węgla uwzględniającą wyniki emisji drogowej składników szkodliwych spalin [97]. Jest ona oparta na całkowitej emisji drogowej związków zawierają-cych węgiel w spalinach, tj. dwutlenku węgla, tlenku węgla i węglowodorach. Wynik przed-stawia się jako przebiegowe zużycie paliwa wyrażone w dm³/100 km (np. olej napędowy) lub w m³/100 km (np. gaz ziemny).

Tab. 4.7. Charakterystyka przepływomierzy spalin przeznaczonych do przyrządu Semtech DS [99]

Parametr Jednostka

Średnica przepływomierza

2” 2,5” 3” 4” 5”

51 mm 64 mm 76 mm 102 mm 127 mm Pojazdy z silnikami ZI – zakres

objętości skokowej silnika [dm³] < 2 2–5 > 5 – – Pojazdy z silnikami ZS – zakres

objętości skokowej silnika [dm³] < 1,5 1,5–4 4–6 6–12 12–18

Rys. 4.12. Nominalne natężenia przepływu dla kilku typów przepływomierzy [98, 99]

Przebiegowe zużycie paliwa oblicza się na podstawie następujących zależności:

– dla silników zasilanych olejem napędowym

  ^{   }

– dla silników zasilanych gazem ziemnym i biometanem

  ^{   }

b_CO – emisja drogowa tlenku węgla, g/km,

b_HC – emisja drogowa węglowodorów, g/km,

 – gęstość paliwa w 15 ^oC, g/cm³.

Połączenie z komputerem sterującym jest zrealizowane z użyciem połączenia bezprzewo-dowego lub przy wykorzystaniu sieci przewodowej LAN (Local Area Network). Na rysunku 4.13 i 4.14 przedstawiono schemat działania układu pomiarowego wykorzystywanego w ba-daniach przyrządu pomiarowego SEMTECH DS [95, 97, 98]. Na rysunku 4.15 przedstawiono widok przyrządów typu PEMS podczas badań drogowych autobusów.

Rys. 4.13. Schemat układu pomiarowego Rys. 4.14. Schemat działania przenośnego przy-rządu pomiarowego SEMTECH DS

Rys. 4.15. Widok aparatury pomiarowej typu PEMS, lokowanej w autobusach podczas realizowanych w pracy badań drogowych