SKRÓTY I OZNACZENIA
5. METODYKA BADAŃ WŁASNYCH
5.1. Harmonogram badań
Pomiary emisji zanieczyszczeń wykonano w testach jezdnych SORT oraz w warunkach rzeczywistej eksploatacji (tab. 5.1). Testy SORT stanowią uniwersalną metodę oceny przebiegowego zużycia paliwa wykorzystywaną przez operatorów komunikacyjnych. Są one zbudowane segmentowo i stanowią reprezentację trzech typów warunków ruchu – ścisłe centrum, trasy miejskie oraz podmiejskie. Szczegółowy ich opis przedstawiono w rozdziale 4.2. Na potrzeby niniejszej pracy pomiary emisji zanieczyszczeń z autobusów komunikacji miejskiej zasilanych ON i CNG, przy wykorzystaniu mobilnej aparatury z grupy PEMS, wykonano w testach SORT 1, SORT 2 i SORT 3. W każdym teście wykonano trzy próby pomiarowe. Umożliwiło to wyeliminowanie ewentualnych błędów oraz wykazanie powtarzalności przejazdów.
Tabela 5.1. Charakterystyka przeprowadzonych pomiarów
Lp. Obiekt badawczy Cykl pomiarowy Liczba prób
1.
Oprócz badań przeprowadzonych w testach jezdnych SORT pomiary wykonano na dwóch trasa badawczych: trasa miejska i podmiejska. Stanowiły one regularne linie kursowania autobusów miejskich obsługiwanych przez poznańskiego operatora komunikacyjnego. Wybór tras badawczych podyktowany był odwzorowaniem rzeczywistych warunków eksploatacji autobusów miejskich dla typowej aglomeracji miejskiej, w której rozwinięta jest sieć komunikacyjna. Trasa miejska 1 przebiegała między osiedlem Sobieskiego, a pętlą autobusową Dębina w Poznaniu (rys 5.1a). Była to linia 76, sklasyfikowana przez Miejskie Przedsiębiorstwo Komunikacyjne jako jedna z najbardziej obciążonych w aspekcie długości, przebiegu oraz liczby przewożonych pasażerów. Jej długość wynosiła 16 km i posiadała 43 przystanki. Zróżnicowany przebieg linii 76 (główne arterie komunikacyjne, drogi osiedlowe oraz ścisłe centrum) warunkuje dużą zmienność przyspieszeń oraz udział kongestii drogowych, co umożliwia analizę emisji zanieczyszczeń w szerokim zakresie. Drugą trasą wybraną do badań była linia autobusowa 98, której długość i liczba przystanków są mniejsze niż w przypadku linii 76 (rys. 5.1b). Jest to jednak trasa o dużej liczbie przewożonych pasażerów, ponieważ jest to linia przebiegają przez jeden z głównych kampusów uniwersyteckich w Poznaniu, do którego dojazd komunikacją miejską odbywa się wyłącznie przy wykorzystaniu taboru samochodowego. Jej długość wynosiła 5 km. Na
każdej z tras badawczych wykonano cztery pomiary: po dwa w każdą stronę linii autobusowej.
Pomiary w testach jezdnych SORT oraz na trasach miejskich wykonywane były przy zastosowaniu jednego operatora użytkowanego pojazdu. Miało to na celu zachowanie powtarzalności przejazdów oraz stylu jazdy. Badania na trasach miejskich wykonano w roboczy dzień tygodnia, w godzinach przedpołudniowych. Przejazdy realizowano z zachowaniem czasu określonego regularnym rozkładem jazdy.
a) b)
Rys. 5.1. Trasy badawcze wykorzystane do badań drogowych: a) trasa miejska 1, b) trasa miejska 2
5.2. Obiekty badań
Do badań wykorzystano dwa autobusy komunikacji miejskiej o długości 18 metrów zasilane olejem napędowym i sprężonym gazem ziemnym (tab. 5.2). Autobus zasilany CNG wyposażony był w silnik spalinowy ZI o objętości skokowej 8,9 dm3 i mocy maksymalnej 238 kW. Pojazd wyposażony był w trófunkcyjny reaktor katalityczny TWC wraz z sondą lambda pracującą w pętli sprężenia zwrotnego. Na dachu pojazdu umieszczono 8 kompozytkowych zbiorników na CNG o pojemności 214 dm3 każda (rys. 5.2a). Zamontowane na dachu pojazdu zbiorniki zwiększyły jego wyskość do 3 400 mm, co w wielu przypadkach może stanowić poważne utrudnienie ze
Tabela 5.2. Charakterystyka badanych autobusów miejskich
Parametr Pojazd A zasilany CNG Pojazd B zasilany ON
Rodzaj zapłonu iskrowy samoczynny
Objętość skokowa 8,9 dm3 9,2 dm3
Liczba cylindórw 6 6
Układ cylindrów rzędowy rzędowy
Stopień sprężania 12 17,5
Moc maksymalna 239 kW przy 2000 obr/min 231 kW przy 1900 obr/min Maksymalny moment obrotowy
1356 Nm przy 1300 obr/min 1275 Nm przy 1100‒1710 obr/min
Norma emisji spalin EEV EEV
Układ oczyszczania splin TWC SCR/DPF
Długość 18 000 mm 18 000 mm
Wysokość 3 400 mm 3 050 mm
Waga z obciążeniem 24 000 kg 24 000 kg
względu na infrastrukturę danej aglomeracji miejskiej (wyskość wiaduktów, nisko zawieszona sieć trakcyjna itp.).
Pojazd zasilany ON posiadał silnik spalinowy o objętości skokowej 9,2 dm3 generujący maksymalmy moment obrotowy 1275 Nm (rys. 5.2b). Pojazd był wyposażony w układ selektywnej redukcji katalitycznej SCR oraz filtr cząstek stałych DPF. Oba badane pojazdy spełniały normę emisji EEV. Są one eksploatowane przez operatorów komunikacyjnych głównie na liniach, które charakteryzują dużą liczbą przewożonych pasażerów. Każdy z badanych pojazdów umożlwia przewóz maksymalnie 176 osób. W przeprowadzonych badaniach autobusy obciążąno takim samym ładunkiem, który stanowił średnią wagę maksymalnej liczby pasażerów wynoszącą70 kg dla jednej osoby. Miało to na celu odwzorowanie warunków codziennej eksploatacji tego typu pojazdów na najbradziej obciążonych trasach.
a) b)
Rys. 5.2. Autobusy komunikacji miejskiej o długości 18 metrów przygotowane do badań:
a) pojazd zasilany CNG, b) pojazd zasilany ON
5.3. Zastosowana aparatura badawcza
W drogowych badaniach emisji zanieczyszczeń z autobusów komunikacji miejskiej wykorzystano mobilny przyrząd z grupy PEMS – SEMTEH DS firmy Sensors Inc., stanowiący unikatowe połączenie dużej dokładności pomiarowej i możliwości rejestracji następujących parametrów:
stężenia CO i CO2 (analizator NDIR – Non-Dispersive Infrared), NOx = NO + NO2 (analizator NDUV – Non-Dispersive Ultraviolet), HC (analizator FID – Flame Ionization Detector), O2 (czujnik elektrochemiczny),
parametrów termodynamicznych spalin (masowe natężenie przepływu, temperatura, ciśnienie) – przepływomierz wykorzystujący rurkę Pitota,
warunków otoczenia – ciśnie atmosferyczne, temperatura, wilgotność,
pozycji i prędkości pojazdu – układ GPS,
danych z sieci diagnostycznej pojazdu – protokół transmisji danych CAN SAE J1939/J2284.
W wykonanych badaniach jednostkę główną przyrządu SEMTECH DS umieszczono we wnętrzu autobusu i zabezpieczono przed ewentualnym niekontrolowanym przemieszczaniem (rys. 5.3). Do nadwozia pojazdu przymocowano przepływomierz do pomiaru parametrów termodynamicznych spalin o średnicy 4 cali, który był szczelnie połączony z układem wylotowym silnika. Na dachu autobusu znajdował się układ pozycjonowania GPS i czujnik warunków atmosferycznych, które połączone były z jednostką główną przyrządu (niebieskie linie na rys. 5.3). Połączenie z siecią diagnostyczną autobusu realizowane było przez specjalny moduł do transmisji danych przy zastosowaniu protokołu SAE J1939/J2284 dedykowanego dla pojazdów kategorii HDV.
Rys. 5.3. Schemat umieszczenia mobilnego przyrządu Semtech DS w badanych autobusach komunikacji miejskiej
Próbka spalin do analizy pobierana była z przepływomierza i transportowana przewodem grzanym (czerwona linia) utrzymującym temperaturę ~190oC. Ma to na celu zabezpieczenie przed kondensacją HC na ściankach przewodu. Następnie próbka, po przejściu przez filtr, trafia do analizatora FID, gdzie dokonywany jest pomiar stężenia HC. Po schłodzeniu do 4oC próbka spalin kierowana jest kolejno do analizatorów NDUV
i NDIR. W nich mierzone są stężenia NOx = (NO + NO2) oraz CO i CO2. Na samym końcu dokonywany jest pomiar stężenia O2 za pomocą czujnika elektrochemicznego.
Sterowanie oraz monitorowanie przyrządu SEMTECH DS realizowane było przez komputer przenośny połączony z jednostką główną za pomocą sieci bezprzewodowej.
Przyrząd posada możliwość komunikacji przy zastosowaniu połączenia sieci lokalnej. W przeprowadzonych badaniach ta forma komunikacji nie została wykorzystana.
Tabela 5.3. Dane techniczne mobilnego przyrządu SEMTECH DS
Mobilna aparatura typu PEMS (Portable Emission Measurement System), wykorzystywana przy realizacji niniejszej dysertacji doktorskiej, umożliwia pomiary zanieczyszczeń w spalinach w warunkach emisji drogowej (pomiar emisji CO, CO2, HC, NOx). Zakresy pomiarowe aparatury umożliwiają zastosowanie jej w szerokim zakresie. Obecnie wymaga się wprowadzania tego typu pomiarów do europejskich działań legislacyjnych (szczególnie w zakresie pomiarów emisji składników gazowych) [12]. Do oceny ekologicznej pojazdów najbardziej pożądane są badania drogowe (w tym przypadku rzeczywiste warunki eksploatacji), gdyż tylko wtedy można uzyskać informację o rzeczywistej emisji pojazdów. Testy wykonuje się np. na odcinkach od kilku do kilkudziesięciu kilometrów w różnych warunkach drogowych. Największą jednak niedogodnością takich badań jest koszt aparatury pomiarowej i przystosowanie jej do warunków zabudowy w pojeździe. Zyskuje się natomiast wiarygodne wyniki pomiarów, niemożliwe do uzyskania w warunkach symulacji na hamowni stacjonarnej.
Aktualnie przeprowadza się tego typu próby w celu porównania możliwości pomiarowych dla różnorodnych pojazdów z wykorzystaniem różnych urządzeń pomiarowych. Uzyskane wyniki świadczą o bardzo dużej zmienności poziomu emisji z pojazdów. Dlatego też celem (i planowanym efektem końcowym) pracy jest porównanie i ocena emisji substancji szkodliwych składników spalin pochodzących z autobusów miejskich zasilanych dwoma rodzajami paliwa (klasyczny olej napędowy oraz gaz ziemny) w rzeczywistych warunkach eksploatacji.
Zrezygnowano z pomiaru emisji cząstek stałych, gdyż silniki zasilane gazem ziemnym z założenia cechują się spalaniem „bezdymnym”. Wykonanie badań emisji cząstek stałych w warunkach drogowych, jakkolwiek technicznie możliwe, oznaczałoby dodatkową komplikację prowadzanych badań.
Parametr Metoda pomiaru Dokładność
Stężenie związków:
HC NDIR – niedyspersyjna, zakres 0‒10% ±3%
CO FID – płomieniowo-jonizacyjna, zakres 0‒10 000 ppm ±2,5%
CO2 NDIR – niedyspersyjna (podczerwień), zakres 0‒20 % ±3%
O2 elektrochemiczna, zakres 0‒20 % ±1%
Próbkowanie 1‒4 Hz
Przepływ spalin masowe natężenie przepływu Tmax do 700oC