6. Wyniki badań własnych i ich analiza
6.6. Badania pojazdu przystosowanego do zasilania gazem ziemnym
Celem tego etapu badań była próba odpowiedzi na pytanie dotyczące możliwości montowania układu zasilania sprężonym gazem ziemnym w pojazdach, które pierwot-nie pierwot-nie były do tego przystosowane. Zagadpierwot-niepierwot-nie sprowadzało się do sytuacji podobnej do montowania układów LPG w pojazdach z silnikami o zapłonie iskrowym, które pierwotnie były zasilane jedynie benzyną. Aby uniknąć kosztów wyposażenia pojazdu z silnikiem benzynowym w cały układ pozwalający na zasilanie takiego silnika gazem ziemnym, uproszczono zagadnienie do następujących warunków (rys. 6.70) [72]:
– wykorzystano pojazd fabrycznie zasilany benzyną,
– wykorzystano sterownik silnika, który używany jest w pojazdach zasilanych tylko jednym paliwem – benzyną,
– zamontowano tymczasowo butle magazynujące sprężony gaz ziemny i instalację wtryskową gazu typu 4,
– dodatkowo zamontowano emulator (wyrób firmy montującej dodatkowe układy zasilania gazem ziemnym), który miał za zadanie sterowanie wtryskiem gazu ziemnego na podstawie sygnałów od wtryskiwaczy paliwa podstawowego – benzyny.
0,75 500 000 km, TWC używany 500 000 km, TWC nowy
Zmiana emisji drogowej [-]
Związek szkodliwy 500 000 km, TWC używany 500 000 km, TWC nowy
Emisja spalin w stosunku do normy [-]
Związek szkodliwy Euro 5
500 000 km, TWC nowy
Powyższe operacje umożliwiły zasilanie silnika gazem ziemnym, jedynie w przy-padku nagrzanego silnika o temperaturze cieczy chłodzącej ponad 70 oC. Wtrysk gazu ziemnego następował na podstawie sygnałów otwarcia wtryskiwaczy benzynowych, co skutkowało wykonaniem ostatecznej kalibracji „emulatora” w specjalistycznym zakła-dzie. Kalibracja taka została wykonana głównie pod kątem dostosowania „pozafabrycz-nego sterownika” do konkret„pozafabrycz-nego pojazdu. Obiektem badań był pojazd o klasie emisyj-nej Euro 4 i przebiegu 15 000 km. Wybór małego przebiegu pojazdu uzasadniony był tym, że pojazdy w sposób niefabryczny są przystosowywane do dodatkowego zasilania tańszym paliwem na wczesnym etapie eksploatacji.
a)
b)
Rys. 6.70. Schemat układu sterowania silnikiem przy zasilaniu benzyną i gazem ziemnym: a) system wyjściowy (układ fabrycznie montowany w pojazdach), b) system przystosowawczy do
zasilania silnika benzynowego gazem ziemnym montowany poza wytwórnią
Plan badań zakładał wykonanie pomiarów emisji zanieczyszczeń dwuetapowo:
pierwszy etap dotyczył badań emisji związków szkodliwych w warunkach miejskich, a w drugim etapie dokonano analizy emisji zanieczyszczeń w warunkach pozamiejskich – z wykorzystaniem tras badawczych opisanych w podrozdziale 5.3.
Na rysunku 6.71 przedstawiono udziały czasu pracy pojazdy we współrzędnych prędkość pojazdu–przyspieszenie w warunkach jazdy miejskiej dla dwóch pojazdów:
pierwszego wyposażonego w fabryczny układ zasilania gazem ziemnym, i drugiego wyposażonego w taki układ poza wytwórnią. Porównując te przebiegi wykazano, że są one do siebie zbliżone pod względem charakterystyki przejazdów. Takie same dane – dla jazdy pozamiejskiej przedstawiono na rys. 6.72. Porównując odpowiednie pola pra-cy przedstawione na tych wykresach, zestawiono je, a wartościami porównywanymi były wartości udziału czasu pracy w poszczególnych polach współrzędnych prędkości i przyspieszenia pojazdów. Dla tożsamych pól porównano udziały czasu pracy pojaz-dów i wykreślono punkty przedstawione na rys. 6.73. Wyznaczając wartości
współ-Silnik Jednostka
sterująca benzyna
Dane wejściowe
wtryskiwacze benzyny
Silnik Jednostka
sterująca CNG
Dane wejściowe
CNG benzyna
wtryskiwacze
Jednostka sterująca benzyna
czynników korelacji określono zgodność między poszczególnymi przejazdami. Uzyska-ne wartości współczynników korelacji to 0,71 dla przejazdów trasą miejską oraz 0,94 – dla badań wykonanych na trasie pozamiejskiej. Takie wartości uprawniały do przyjęcia założenia, że przejazdy były podobne i możliwa jest analiza wyników emisji zanie-czyszczeń.
a) b)
Rys. 6.71. Udziały czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we współrzędnych prędkość pojazdu–przyspieszenie w warunkach jazdy miejskiej: a) pojazd z fabryczną instalacją CNG,
b) pojazd przystosowany do zasilnia CNG poza wytwórnią
a) b)
Rys. 6.72. Udziały czasu pracy pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 we współrzędnych prędkość pojazdu–przyspieszenie w warunkach jazdy pozamiejskiej: a) pojazd z fabryczną instalacją
CNG, b) pojazd przystosowany do zasilnia CNG poza wytwórnią
a) b)
Rys. 6.73. Analiza korelacyjna badań pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 z fabryczną instalacją CNG oraz instalacją montowaną poza wytwórnią: a) w warunkach jazdy miejskiej, b) w
warun-kach jazdy pozamiejskiej
0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15
ui(CNGniefabryczne)
ui(CNG fabryczne)
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08
ui(CNGniefabryczne)
ui(CNG fabryczne) R² = 0,94
Analiza wartości natężenia emisji poszczególnych zanieczyszczeń dla dwóch etapów badań (pojazdu z fabryczną instalacją CNG oraz pojazdu wyposażonego w taki układ poza wytwórnią) pozwala na stwierdzenie, że większe ich wartości przeważnie obser-wowane są dla pojazdu niefabrycznie wyposażonego w instalację CNG. Takie stwier-dzenie dotyczy pomiarów dwutlenku węgla, tlenku węgla oraz węglowodorów (rys.
6.74a, b, i c), natomiast w stosunku do natężenia emisji tlenków azotu jest przeciwnie – większe wartości rejestrowano dla pojazdu wyposażonego w instalację gazową instalo-waną fabrycznie (rys. 6.74d). Sumując wartości natężenia emisji zanieczyszczeń otrzy-mano krzywe, które obrazują skumulowaną masę poszczególnych związków podczas badań (górne wykresy na rys. 6.74). Ich końcowe wartości posłużyły do wyznaczenia całkowitej masy zanieczyszczeń, a znajomość przebytej drogi pozwoliła na wyznacze-nie ich emisji drogowej.
Wyniki o podobnym charakterze uzyskano w badaniach na trasie pozamiejskiej, cha-rakteryzującej się znacznie dłuższym czasem trwania i większym przebytym dystansem (rys. 6.75). Pomimo zmian warunków ruchu dla wszystkich związków szkodliwych otrzymane wartości były zgodne pod względem zmiany natężenia ich emisji. Należy jednak podkreślić, że poziom natężenia emisji był różny dla tych etapów badań – a wy-nikał głównie z warunków ruchu i większej prędkości pojazdu. Największą różnicą między wartością skumulowaną zanieczyszczeń dla badanych pojazdów w warunkach pozamiejskich odnotowano dla tlenku węgla orz węglowodorów. Różnica ta jest dużo większa niż odpowiadająca jej różnica uzyskana w badaniach w warunkach miejskich.
Oznacza to, że układ zasilania wykonany poza wytwórnią nie umożliwiał tak efektyw-nego spalania jak układ fabryczny, a jednocześnie znacznie gorzej pracował przy więk-szych prędkościach obrotowych silnika i więkwięk-szych obciążeniach.
a) b)
c) d)
Rys. 6.74. Charakterystyka natężenia emisji oraz masy zanieczyszczeń podczas testu w warun-kach miejskich pojazdów z fabryczną instalacją zasilania oraz instalacją montowaną poza
wy-twórnią: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
-3500
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
CO2[g]
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
CO[mg]
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
HC[mg]
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
NOx [mg]
NOx [mg/s]
S [m]
CNG fabryczny CNG niefabryczny
a) b)
c) d)
Rys. 6.75. Charakterystyka natężenia emisji oraz masy zanieczyszczeń podczas testu w warun-kach podmiejskich pojazdów z fabryczną instalacją zasilania oraz instalacją montowaną poza
wytwórnią: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu Wyznaczenie wartości emisji drogowej zanieczyszczeń w badaniach miejskich uwi-doczniała różnice w działaniu badanych układów zasilania: pojazd z układem fabrycz-nym charakteryzował się mniejszym zużyciem paliwa (mniejsza emisja dwutlenku wę-gla), mniejszą emisją drogową tlenku węgla oraz węglowodorów. Większa okazała się emisja drogowa tlenków azotu – ponad dwukrotnie (rys. 6.76a). Jednakże porównując wartości względne, można zauważyć bardzo duże – ponad 10-krotne – zwiększenie emisji drogowej tlenku węgla i ponad 2-krotne zwiększenie emisji węglowodorów.
Również emisja drogowa dwutlenku węgla, a więc zużycie paliwa dla pojazdu wyposa-żonego w układ zasilania CNG poza wytwórnią było większe o 30%. Jedynie emisja drogowa tlenków azotu było mniejsza o około 60% w stosunku do pojazdu wyposażo-nego w fabryczną instalację zasilania gazem ziemnym (rys. 6.76b).
a) b)
Rys. 6.76. Wyniki emisji drogowej zanieczyszczeń badanych pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 z fabryczną instalacją CNG oraz instalacją montowaną poza wytwórnią w warunkach
miejskich: a) wartości bezwzględne, b) wartości względne
-15000
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
CO2[g]
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
CO[mg]
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
HC[mg]
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
NOx [mg]
Względna zmiana emisji drogowej CNG fabryczny
CNG niefabryczny
Podobne wyniki uzyskano w badaniach drogowych wykonanych na trasie pozamiej-skiej. Podobieństwo przejawiało się w zwiększeniu emisji drogowej tych samych zanie-czyszczeń, natomiast ich poziom nie zawsze odpowiadał uzyskanym wcześniej warto-ściom. Emisja drogowa dwutlenku węgla w badaniach drogowych pozamiejskich po-jazdów, była większa o około 20% (rys. 6.77b) dla pojazdu z niefabryczną instalacją gazową, natomiast znaczący wzrost zanotowano dla emisji drogowej tlenku węgla i węglowodorów, odpowiednio 31 i 21 razy (rys. 6.77b). W tym przypadku emisja dro-gowa tlenków azotu okazała się 2-krotnie mniejsza dla pojazdu z niefabryczną instala-cją zasilania gazem ziemnym.
a) b)
Rys. 6.77. Wyniki emisji drogowej zanieczyszczeń badanych pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 z fabryczną instalacją CNG oraz instalacją montowaną poza wytwórnią w warunkach
pozamiejskich: a) wartości bezwzględne, b) wartości względne
Opisane w tym podrozdziale badania emisji drogowej zanieczyszczeń dla pojazdów wyposażonych w fabryczną instalację zasilania gazem ziemnym oraz pojazdów z insta-lacją dodatkowo montowaną, która wykorzystuje sygnał sterujący pracą wtryskiwaczy benzynowych do określania działania wtryskiwaczy gazu, wskazuje na ekologiczne zalety tylko pierwszego rozwiązania. Jedynym pozytywnym efektem rozwiązania „na-kładkowego” jest zmniejszenie emisji drogowej tlenków azotu, jednakże powoduje to znaczne zwiększenie emisji pozostałych związków szkodliwych. Uzyskane bardzo znaczne przyrosty emisji drogowej zanieczyszczeń dla pojazdu z niefabryczną instalacją zasilania gazem ziemnym dyskwalifikuje to rozwiązanie do stosowania w pojazdach użytkowych. Należy jednak podkreślić, że przedmiotem badania był jeden rodzaj sys-temu wykorzystującego emulator sterownika benzynowego wtryskowego układu, i nie można uogólnić uzyskanych wyników na systemy, które są dedykowane do zastępowa-nia układów sterowazastępowa-nia o znacznym stopniu zaawansowazastępowa-nia.
176 183
5 21
219
98
10 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
CO2 CO HC NOx
CO2[g/km], CO, HC, NOx [mg/km]
CNG fabryczny CNG niefabryczny 5688
1 1,2 1 1 1
31,1
21,0
0,5 0
5 10 15 20 25 30 35
CO2 CO HC NOx
Względna zmiana emisji drogowej CNG fabryczny
CNG niefabryczny