Aparatura pomiarowa

v_ep – objętość gazów spalinowych przepływających przez filtry pomiarowe w warun-kach normalnych [dm³],

m_e – masa cząstek stałych zebranych na filtrze [g].

5.3. Metodyka pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu

5.3.1. Aparatura pomiarowa

Pomiarów emisji zanieczyszczeń dokonano w rzeczywistych warunkach jazdy, zgodnie z metodyką podaną m.in. w pracach [53–60, 64–69, 71, 72, 74, 80–84]; podej-ście takie wymagało zamontowania układu poboru spalin na pojeździe w sposób umoż-liwiający jego normalną eksploatację. W tym celu wykonano układ poboru spalin, który połączony z układem pomiaru natężenia przepływu spalin stanowił system poboru pró-bek spalin do analizatorów pomiarowych. Na rysunku 5.8 przedstawiono schemat połą-czeń urządzeń pomiarowych.

Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator Semtech DS firmy Sensors (Sensors EMission TECHnology) (tabl. 5.5).

Umożliwiał on pomiar związków szkodliwych – CO, NOx, HC oraz emisji CO₂. Do jednostki centralnej analizatora doprowadzono dodatkowo dane bezpośrednio przesyła-ne z systemu diagnostyczprzesyła-nego pojazdu oraz wykorzystano sygnał lokalizacji GPS. In-formacje zawarte w publikacjach z zakresu wykorzystania mobilnych analizatorów spa-lin [17, 28, 43, 44, 46, 47, 86, 100] w powiązaniu z danymi rejestrowanymi z

pokłado-wych systemów diagnostycznych [34, 94] potwierdzają celowość podjęcia oceny emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu z wykorzystaniem wymienionej kon-figuracji aparatury pomiarowej.

Rys. 5.8. Schemat połączeniowy urządzeń pomiarowych wykorzystanych do badań Tablica 5.5. Charakterystyka mobilnego analizatora Semtech DS z odczytem systemu transmisji danych w pojeździe [100]

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%

elektrochemiczna, 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 CAN

OBD: ISO, CAN, VPW, PWM

Analizator Semtech DS jest przeznaczony głównie do pomiaru stężenia związków szkodliwych w spalinach pojazdów osobowych, ciężarowych rolniczych i budowlanych.

W wersji DS umożliwia pomiar emisji zarówno z silników zasilanych benzyną, jak i gazem ziemnym. Wszystkie podzespoły analizatora Semtech DS zaprojektowano tak, aby jak najbardziej odpowiadały klasie laboratoryjnej urządzeń pomiarowych, a jedno-cześnie mogły sprostać specjalnym wymaganiom stawianym urządzeniom monitorują-cym emisję w pojazdach. Spełnienie tych założeń wymagało maksymalnego

zmniejsze-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

5. Metodyka badań 52 nia masy, wielkości i zużycia energii przez urządzenie przy jednoczesnym zredukowa-niu podatności na drgania, wibracje zmiany temperatury i inne czynniki zewnętrze mo-gące zniekształcić wyniki. Główną zaletą analizatora jest możliwość jego łatwego przemieszczania z jednego testu do drugiego. Może być on używany do monitorowania emisji z różnych pojazdów będących w ruchu, jak również podczas testów silników na hamowni. Analizator spełnia wymagania normy 1065 [30] w zakresie pomiarów emisji spalin systemami PEMS. Składa się z kilku autonomicznych modułów pomiarowych (rys. 5.9):

 analizatora płomieniowo-jonizacyjnego FID (flame ionization detector) stosowa-nego do oznaczania w spalinach sumaryczstosowa-nego 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.

Rys. 5.9. Schemat mobilnego analizatora Semtech z zaznaczonymi układami dodatkowymi Oprócz pomiaru stężenia szkodliwych składników spalin analizator ten umożliwia również pomiar masowego natężenia przepływu 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).

Pomiar natężenia przepływu spalin jest realizowany z wykorzystaniem sond pomia-rowych 2”, 2,5”, 3”, 4” i 5” [49]. Bardzo ważne jest prawidłowe zamocowanie sondy

191^oC

Chłodnica 4^oC NDUV NO_x = NO + NO₂ NDIR

CO, CO₂ O2

OBD/CAN GPS Wireless LAN

Filtr FID

Pobór próbki HC

sterowanie

pomiarowej (tzw. rurki Pitot) ze względu na konieczność trwałego jej zamocowania w warunkach ruchu drogowego i zapewnienie szczelności połączeń z układem wyloto-wym pojazdu. Ważnym jest też stan cieplny przyrządu, czas rozgrzewania wynosi 60 min dla zapewnienia stabilnych wskazań (m.in. dla nagrzania sondy poboru próbki spalin do wymaganej temperatury 191ºC). W tablicy 5.6 przedstawiono wartości nie-pewności wskazań poszczególnych analizatorów przyrządu Semtech DS oraz przepły-womierzy Semtech EFM, natomiast na rys. 5.10 przedstawiono wartości nominalnego natężenia przepływu dla poszczególnych typów przepływomierzy. Z braku wystarczają-cej informacji dostarczonej przez producenta przyrządu pomiarowego nie uwzględniono niepewności pomiarowej przy wyznaczaniu gęstości spalin (uwzględnianej w niżej po-danych wzorach dotyczących określenia masowego natężenia emisji związków szko-dliwych przy pomiarach przyrządem Semtech DS).

Tablica 5.6. Niepewności wskazań poszczególnych analizatorów przyrządu Semtech DS oraz przepływomierzy Semtech EFM [36]

Niepewność wskazań analizatora NDIR

Składnik THC

Zakres pomiarowy 0–100 ppmC 0–1000 ppmC 0–10 000 ppmC 0–40 000 ppmC Rozszerzona

niepewność pomiarowa

±2% odczytu lub ±5 ppmC

±2% odczytu lub ±5 ppmC

±2% odczytu lub

±25 ppmC

±2% odczytu lub

±100 ppmC zależnie od tego, która wartość jest większa

Niepewność wskazań analizatora NDIR

Składnik CO CO2

Zakres pomiarowy 0–8% 0–20%

Rozszerzona niepewność pomiarowa ±3% odczytu lub 50 ppm ±3% odczytu lub ±0,1%

zależnie od tego, która wartość jest większa Niepewność wskazań analizatora NDUV

Składnik NO NO2

Zakres pomiarowy od 0 do 2500 ppm od 0 do 500 ppm

Rozszerzona niepewność pomiarowa ±3% odczytu lub 15 ppm ±3% odczytu lub 10 ppm zależnie od tego, która wartość jest większa Niepewność wskazań przepływomierza

Natężenie przepływu

Rozszerzona niepewność pomiarowa ±2,5% odczytu lub 1,5 pełnej wartości skali zależnie od tego, która wartość jest większa Przeprowadzona w pracy [37] wstępna analiza wskazuje, że analizator Semtech DS charakteryzuje się, w porównaniu z wykorzystywanymi w badaniach przyrządami po-miarowymi hamowni podwoziowej i silnikowej, większymi niepewnościami pomiaro-wymi wskazań poszczególnych analizatorów w niskim zakresie ich skal pomiarowych.

5. Metodyka badań 54

Rys. 5.10. Nominalne natężenie przepływu dla kilku typów przepływomierzy [49]

Do badania masy cząstek stałych wykorzystano analizator Micro Soot Sensor firmy AVL. Zasada działania urządzenia oparta jest na pomiarze fotoakustycznym (rys. 5.11) w tzw. rezonansowej komorze pomiarowej [90]. 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 5.7.

Rys. 5.11. Zasada działania analizatora Micro Soot Sensor firmy AVL Tablica 5.7. Dane techniczne urządzenia Micro Soot Sensor firmy AVL [90]

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

Czas odpowiedzi ≤ 1 s

Stopień rozcieńczenia (DR) skalowalny w zakresie 2–10 oraz 10–20 Błąd wskazań max. ±3% dla DR 2–10, max. ±10% dla DR 10–20

350

850

1250

2200

3400

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

2 2,5 3 4 5

nominalne natężenie przepływu [kg/h]

średnica rury montażowej przepływomierza ["]

przy przeciwciśniu 24,91 mbar temperaturze spalin 200^oC

Modulowane światło laserowe

Mikrofon Komora pomiarowa

Przepływ spalin

Fala dźwiękowa

przy przeciwciśnieniu 24,9 mbar i temperaturze spalin 200^oC

Do pomiaru wielkości cząstek stałych wykorzystano analizator 3090 EEPS (Engine Exhaust Particle Sizer™ Spectrometer) firmy TSI Incorporated (rys. 5.12, tabl. 5.8) [79]. 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. Widok zamontowanych analizatorów spalin do pomiaru składników gazowych i cząstek stałych przedstawiono na rys. 5.13.

Rys. 5.12. Schemat analizatora rozkładu wymia-rowego cząstek EEPS 3090 firmy TSI [79]

Rys. 5.13. Zabudowa analizatorów spalin w pojazdach podczas badań

Tablica 5.8. Dane techniczne analizatora EEPS rozkładu cząstek stałych [79]

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/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

W procesie pomiarowym wykorzystywana jest technika analizy mobilności elek-trycznej. Wykorzystanie tej metody pozwala na analizę pełnego rozkładu wielkości z rozdzielczością 1 s, co pozwala wizualizować zmiany charakteru cząstek stałych w czasie rzeczywistym. Cząstki doprowadzane są w sposób ciągły do analizatora jako

5. Metodyka badań 56 strumień gazów wylotowych z silnika. Początkowy filtr wychwytuje cząstki większe niż 1 µm, czyli będące poza zakresem pomiarowym urządzenia. Następnie cząstki kierowa-ne są na elektrodę ładującą. Cząstki posiadające ładukierowa-nek elektryczny mogą być sklasy-fikowane według ich rozmiaru. Cząstki odchylane są następnie przez wysokonapięcio-wą elektrodę; trafiają na szczelinę pierścieniowysokonapięcio-wą, będącą przestrzenią między dwoma koncentrycznymi cylindrami. Szczelinę otacza doprowadzany z zewnątrz strumień czy-stego powietrza. Cylinder wylotowy zbudowany jest w formie stosu czułych odizolo-wanych od siebie elektrod ułożonych w formie pierścienia. Elektrody z jednej strony podłączone są do wzmacniacza, z drugiej – uziemione. Takie połączenie powoduje po-wstanie pola elektrycznego między cylindrami zbudowanymi z elektrod. Przepływająca między nimi mieszanka świeżego powietrza i cząstek stałych (naładowanych dodatnio) odpychana jest od wysokonapięciowej elektrody (high voltage electrode) i kierowana między elektrody o dużej czułości. Cząstki uderzając w elektrody powodują generowa-nie prądu, który w czasie rzeczywistym odczytywany jest przez układ przetwarzający.

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):



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

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

6

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

v

m ^



^k

i

m

M [mg/m³] (5.16)

gdzie we wzorach (5.13)–(5.16):

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), S – całkowita powierzchnia cząstek,

V – całkowita objętość cząstek, M – całkowita masa,

Q – natężenie przepływu próbki, t – czas próbkowania,

 – gęstość cząstek,

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

W dokumencie Badania wpływu topografii terenu na emisję związków szkodliwych spalin samochodów osobowych (Stron 50-57)