Cykle badawcze przeznaczone do pomiaru emisyjności

Dla każdej grupy pojazdów przewidziane są określone homologacyjne cykle badaw-cze, podczas realizacji których mierzona jest emisja zanieczyszczeń z układu wyloto-wego. W ramach Dyrektywy UE nr 2018/989 ustalano warunki pomiarów i limity emisji związków toksycznych spalin. Silniki maszyn grupy non-road badane są na stanowisku hamulcowym w dwóch testach – statycznym i dynamicznym. Przed badaniem silnik musi zostać przygotowany zgodnie z zapisami w [9]. Obciążenie silnika stanowi mo-ment pochodzący z hamulca hamowni, a opory własne silnika nie są uwzględniane. Taki rodzaj obciążenia zwany jest momentem obrotowym netto [81]. Na podstawie jego war-tości, prędkości obrotowej oraz czasu trwania cyklu określa się całkowitą pracę silnika w kilowatogodzinach – używaną później do obliczeń jednostkowej emisji poszczegól-nych składników toksyczposzczegól-nych. Spaliny zbierane są do worków, skąd trafiają do anali-zatorów, gdzie wyznaczane są stężenia gazowych związków toksycznych. Emisja czą-stek stałych określana jest przez pomiar masy filtrów, przez które przepuszczana jest badana objętość gazów.

Test statyczny NRSC (Non-Road Stationary Cycle) zastąpił test ISO 8178 [25]. Dla kategorii silników maszyn NRMM, innych niż NRS i NRSh, silnik przed jego przepro-wadzeniem należy rozgrzać. Powinien on pracować w punkcie wyznaczonym jako 50%

prędkości obrotowej, przy której występuje moc maksymalna oraz 50% maksymalnego momentu obrotowego uzyskiwanego przy tej prędkości obrotowej. Czas rozgrzewania determinowany jest ustabilizowaniem temperatury cieczy chłodzącej i oleju smarują-cego. Po ich osiągnięciu można rozpocząć pomiary emisyjności. Punkty pracy w cyklu badawczym zależne są od badanej grupy maszyn. Na schemacie (rys. 3.2) oznaczono punkty pracy oraz ich wagi wyrażone w ujęciu procentowym dla grupy NRE. Prędkość średnia oznacza prędkość między 60 a 75% prędkości obrotowej mocy maksymalnej, przy której występuje maksimum momentu obrotowego. Prędkość niska zawarta w nor-mie oznacza obroty biegu jałowego [13].

Rys. 3.2. Punkty pracy cyklu NRSC [13]

Temperatura powietrza dolotowego do silnika powinna wynosić 298±5 K (25±5°C) w czasie całego badania. Dodatkowe elementy maszyny niewymagane do pracy silnika, a używane w czasie eksploatacji powinny zostać zdemontowane, by nie zwiększać ob-ciążenia jednostki [9]. Liczba punktów pracy używana w badaniach homologacyjnych różni się i wynosi od 3 do 8 w zależności od podgrupy silników. Obejmują one różne obciążenia silnika przy dwóch prędkościach obrotowych wyznaczonych na podstawie procentowej wartości mocy maksymalnej silnika z charakterystyki zewnętrznej. Jeden z punktów pracy obejmuje pracę silnika na biegu jałowym, bez obciążenia zewnętrz-nego. Każdy z fragmentów testu ma wartość wagową wykorzystywaną do obliczenia emisyjności. Wagi w sposób istotny różnią się od siebie; przykładowo dla lokomotyw waga dla biegu jałowego wynosi 0,6, a dla podkaszarek małych mocy – 0,05, czego celem jest przybliżenie cyklu homologacyjnego do warunków rzeczywistej eksploatacji.

Każda zmiana punktu pomiarowego tj. zmiana prędkości obrotowej i obciążenia sil-nika powinna odbywać się liniowo w czasie wynoszącym 20±1 s, co ma przeciwdziałać skokowej zmianie wartości emisji związków toksycznych, przez gwałtowne zmiany pa-rametrów pracy badanego obiektu. Praca w określonym punkcie ma trwać co najmniej 15 s. Ostateczny wynik emisyjności wyznacza się jako średnią arytmetyczną emisji w danym punkcie, a następnie obliczana jest średnia ważona ze wszystkich punktów pomiarowych [79].

Drugi cykl, dynamiczny określany jest tak ze względu na dużą zmienność punktów pracy w czasie i nosi nazwę NRTC (Non-Road Transient Cycle) (rys. 3.3). Norma prze-widuje dwukrotne jego przeprowadzenie. Pierwszy pomiar odbywa się w warunkach zimnego rozruchu tj. ciecze eksploatacyjne i układy oczyszczania spalin silnika są schłodzone do temperatury otoczenia, która powinna wynosić 20–30°C. Drugi przejazd tzw. gorący, odbywa się po zakończeniu pierwszego i odczekaniu 20 min przy wyłą-czonym silniku, który powinien zostać ponownie uruchomiony dopiero przed samym rozpoczęciem cyklu.

Pomiar emisji zanieczyszczeń odbywa się przez cały cykl, a analizatory przy cyklu gorącym powinny być włączone przynamniej 10 s przed jego rozpoczęciem. [106]. Me-toda obliczania emisji jest następująca – stężenia określone w wyniku okresowego po-bierania próbek mnoży się przez całkowitą masę spalin lub chwilowy przepływ masowy spalin (nierozcieńczonych lub rozcieńczonych). Otrzymany iloczyn stanowi całkowitą masę lub przepływ masowy emitowanego składnika toksycznego.

Uzyskana wartość odnoszona jest do chwilowej wartości mocy pomnożonej przez ilość czasu w której była ta emisja mierzona. W efekcie otrzymuje się taką samą jed-nostkę jak w teście NRSC i możliwe jest porównanie wyników badania do limitów.

Ostateczny wynik testu stanowi średnia ważona z obydwu odbywających się cykli po-miarowych, przeprowadzonych w różnych warunkach temperaturowych. Zgodnie z normą, cykl po zimnym rozruchu posiada wagę 0,1, a gorący 0,9.

Rys. 3.3. Cykl dynamiczny NRTC dla silników grupy non-road [106]

Prędkości obrotowa wynosząca 100% stanowi wartość przy której silnik osiąga swoją maksymalną moc w normalnych warunkach pracy. Wartość ta jest przekraczana podczas realizacji cyklu, gdyż możliwe jest osiągnięcie większej prędkości obrotowej przez silnik, choć jest to nieekonomiczne. Ze względu na wysoką temperaturę spalin podczas przeprowadzania cyklu, dopuszczalne jest wystąpienie procesu regeneracji po-zasilnikowych układów oczyszczania spalin i nie wymaga to powtarzania testów [9].Wzorem innych grup, wykorzystujących do napędu silnik spalinowy, prowadzone są próby wcielenia badań w warunkach rzeczywistych maszyn non-road. W latach 2010–2012 trwały programy pilotażowe, których zadaniem było sprawdzenie rzeczy-wistej emisji z pojazdów non-road oraz punktów pracy ich silników zwykle odbiegające od norm homologacyjnych [6, 34, 98, 101]. W ich ramach poddano badaniom również jednostki w amerykańskim cyklu NTE (Not To Exceed – cykl oparty na pracy silnika w oknach pomiarowych) i ważne wyniki stanowiły jedynie od 5 do 20% całkowitego czasu pracy maszyn.

Wnioski z badań przy użyciu tego cyklu opublikowano w raporcie z 2014 roku [73].

Były one podstawą do wprowadzenia określenia pomiarów w warunkach rzeczywistych które zawarto w Rozporządzeniu 2017/655 [106]. W raportach [17, 28, 38, 100, 101]

zwrócono uwagę na znaczne różnice w warunkach pracy między podgrupami maszyn non-road. Średnia moc silnika w ramach takich badań wahała się od 18 aż do 83% mocy maksymalnej. Ustalono, że test w warunkach rzeczywistych musi trwać tyle, aby ilość wytworzonej energii była 3–5 krotnie większa niż przy badaniu w cyklu NRTC silnika maszyny, dopuszczalne jest także oparcie się o proporcjonalną emisję CO2.

Pomiary w rzeczywistych warunkach eksploatacji dotyczą obecnie maszyn non-road spełniających najnowszą normę homologacyjną Stage V, posiadających silniki o mocy w zakresie 56–560 kW, co stanowi niewielką część rozważanej kategorii.

W przyszłości wymagania mają być rozszerzone na pozostałe zakresy mocy. W ramach badań mierzone były związki gazowe (CO2, CO, HC oraz NOx), które są porównywane do limitów zawartych w normie Stage V. Obecnie nie jest jeszcze wyznaczony współ-czynnik o który limity mogą być powiększone na potrzeby porównania do wyników w warunkach rzeczywistych. Poza emisją gazową akwizycja danych powinna dotyczyć przepływu spalin, ciśnienia i temperatury w kolektorze dolotowym, zużycie paliwa i prędkość obrotowej, temperatury cieczy chodzącej, a także współrzędnych GPS [24].

Pomiary muszą odbywać się z częstotliwością 1 Hz. Punkty pracy, w których silnik generował moc mniejszą niż 10% maksymalnej wartości przy danej prędkości obroto-wej, nie są brane pod uwagę do obliczania wskaźników ekologicznych. Ma to zapobie-gać zawyżaniu wyników emisji podczas pracy na biegu jałowym, gdzie przy uwzględ-nieniu momentu obrotowego netto z silnika oscylującej około wartości 0, zgodnie z de-finicją jednostkowa emisja związków toksycznych dąży do nieskończoności [81, 92, 100]. Przepisy są rozszerzane dla coraz większej liczby podgrup i zakresu mocy silni-ków maszyn non-road, jednak wymaga to sprecyzowania wymagań do każdej z nich oddzielnie. Różnorodność ich mocy i przeznaczenia, a więc punktów pracy uniemożli-wia zastosowania jednego sposobu przeprowadzania pomiarów, jeżeli mają one w du-żym stopniu odzwierciedlić rzeczywistą eksploatację.