Metodyka pomiaru emisji jednostkowej zanieczyszczeń

Postęp w dziedzinie urządzeń pomiarowych doprowadził do miniaturyzacji aparatury badawczej do analizy spalin na tyle, by mogła być ona zabudowywana na pojeździe i używana w trakcie jego eksploatacji, zapewniając jednocześnie wymaganą dokładność badań. Jest to istotny aspekt, gdyż w praktycznie wszystkich klasach pojazdów i maszyn z silnikami spalinowymi stwierdzono występowanie różnic między homologacyjnymi warunkami testowymi a rzeczywistymi warunkami eksploatacji. Rozbieżności dotyczą punktów pracy silników i obszaru zmienności ich występowania, a co za tym idzie emi-sji składników toksycznych [51, 101].

Mobilne analizatory spalin PEMS to grupa urządzeń służąca do badań składników toksycznych z układów wylotowych silników spalinowych w czasie rzeczywistej eks-ploatacji. Pomiary odbywają się w sposób pośredni, wykorzystując m.in. absorbcję pro-mieniowania o określonej długości fali przez dany związek zawarty w spalinach i po-równanie sygnału do uzyskiwanego dla gazu wzorcowego lub powietrza otoczenia.

Analizatory pobierają jedynie małą objętość spalin do badań, przez co istotny jest poprawny ich montaż w układzie wylotowym, bez zbędnych zmian kierunku przepływu gazów [40].

Ze względu na konieczność kompleksowej oceny emisji związków toksycznych, w ramach dysertacji wykorzystano trzy urządzenia pomiarowe z grupy PEMS. Do oceny składników gazowych wykorzystano przyrząd SEMTECH DS firmy Sensors Inc.

(rys. 5.1a). W urządzeniu, próbka spalin jest pobierana z masowego przepływomierza spalin. Na podstawie pomiaru ciśnienia w różnych punktach (działanie na zasadzie rurki Pitota) i odpowiednich przeliczeń, uzyskiwana jest informacja o masowym strumieniu spalin, który używany jest do obliczenia natężenia emisji zanieczyszczeń. Próbka trans-portowana jest przewodem grzanym, w którym utrzymywana jest temperatura około 191^oC. Zapobiega to wykraplaniu się węglowodorów na jego ściankach podczas przej-ścia z przepływomierza do analizatora.

Na wlocie do urządzenia SEMTECH DS, badana objętość gazów jest odfiltrowy-wana z cząstek stałych, a oczyszczone gazy przepływają do analizatora płomieniowo-jonizacyjnego FID (Flame Ionization Detector). Tam odbywa się pomiar zawartości węglowodorów przez pomiar zmiany jonizacji płomienia zasilanego wodorem [40]. Na-stępnie próbka jest schładzana w chłodnicy do około 4^oC i trafia do analizatorów NDUV (Non-Dispersive Ultra Violet) oraz NDIR (Non-Dispersive Infrared). W tych miejscach badane jest pochłanianie promieni ultrafioletowych i podczerwonych, co pozwala na badanie stężenia w pobranej próbce spalin odpowiednio tlenku i dwutlenku węgla oraz tlenków azotu. Ostatnim etapem jest pomiar stężenia tlenu przez czujnik elektroche-miczny (rys. 5.1b) [40]. Po zakończeniu toru pomiarowego spaliny są usuwane z urządzenia.

Przyrząd wyposażony jest w stację meteorologiczną, na podstawie której dokony-wana jest korekcja uzyskanych danych oraz odbiornik GPS do rejestracji parametrów ruchu obiektu. Przyrząd komunikuje się także z systemem diagnostyki pojazdu OBD/CAN i rejestruje podstawowe parametry pracy silnika przez zaimplementowane protokoły, co umożliwia bezpośrednie przedstawienie emisji jednostkowej (tabl. 5.1).

W zależności od masowego przepływu konieczny jest dobór przepływomierza spa-lin. Wpływ na niego ma przede wszystkim objętość skokowa silnika oraz zastosowanie doładowania.

a b

Rys. 5.1. Analizator SEMTECH DS: a – widok ogólny, b – schemat działania [40]

Tablica 5.1. Charakterystyka przyrządu SEMTECH DS [40]

Jednostka centralna

Mierzony związek Analizator/czujnik Zakres Dokładność [%]

THC [ppm] FID 0–40000 ±2

na-tężenia przepływu Czas odpowiedzi 2 cale/51 mm

Czujnik do pomiaru warunków atmosferycznych

Mierzony parametr Zakres Dokładność [%] Czas odpowiedzi [s]

Temperatura [^oC] –39–60 ±0,2 –

Wilgotność względna [%] 0,8–100 ±2 T90 < 10

Ciśnienie [MPa] 0,015–0,115 ±1,5 T90 < 4

Moduły do odczytu i rejestracji danych z systemu diagnostycznego Typ pojazdu Obsługiwany protokół transmisji danych

PC i LDV SAE–J1850 PWM, SAE–J1850 VPW, ISO–9141–2,

ISO–14230 (KWP–2000), ISO–15765 (CAN), ISO–11898 (CAN) HDV i NRMM SAE–J1708, SAE–1587, SAE–J1939/SAE–1587 (CAN)

Pomiar masy cząstek stałych realizowano mobilnym analizatorem MSS (Micro Soot Sensor) firmy AVL GmbH (rys. 5.2a). Urządzenie pobiera próbkę spalin przez podgrze-wany przewód, a w razie konieczności stosowane jest rozcieńczenie. Jest to wymagane dla spalin o dużej zawartości PM, gdyż zakres pomiarowy urządzenia jest ograniczony (tabl. 5.2).

Pobrana objętość jest kondycjonowana, a następnie trafia do komory pomiarowej gdzie jest poddawana szybkozmiennemu promieniowaniu, powodującemu ciągłe ogrze-wanie/chłodzenie zawartych cząstek. Miarą stężenia PM są powstające w tym procesie drgania. Generowany dźwięk jest odczytywany przez czułe mikrofony w pewnym za-kresie amplitud i częstotliwości, a natężenie uzyskanej fali akustycznej jest miarą stę-żenia cząstek stałych (rys. 5.2b). Po uwzględnieniu objętościowego przepływu spalin oraz wskaźników rozcieńczenia, możliwe jest obliczenie masy PM i późniejsze wyli-czenie jednostkowej emisji.

a b

Rys. 5.2. Analizator AVL MSS: a – widok ogólny, b – schemat działania [40]

Tablica 5.2. Podstawowe dane techniczne analizatora MSS [40]

Parametr Wartość

Rozmiar mierzonych cząstek [mg/m³] 0,005–50

Szybkość transmisji danych [Hz] 5

Zakres temperatury pracy [°C] 5–43

Przepływ próbki spalin [dm³/min] ~ 2±2

Interfejs RS232, Digital I/O, Analog I/O, Ethernet

Temperatura gazów wylotowych [°C] <1000

Ciśnienie pośrednie gazów wylotowych [mbar] do 2000

Pulsacje ciśnienia [mbar] ±1000 (maks. 500 mbar ciśnienia wstecznego)

Wyznaczenie PN oraz rozkładu wymiarowego średnic PM w ramach badań uzyskano przy pomocy spektrometru Engine Exhaust Particle Sizer (EEPS ™) 3090 firmy TSI (rys. 5.3a). Urządzenie, podobnie jak AVL MSS, dla silników charakteryzujących się znaczną emisją PM umożliwia rozcieńczenie próbki spalin. Po zassaniu króćcem obję-tości gazów wylotowych w pierwszym kroku pomiarowym następuje zatrzymanie przez filtr wstępny cząstek o średnicy większej niż 1 µm, które znajdują się poza zakresem działania urządzenia. Następnie po przejściu przez neutralizator, próbka spalin jest ła-dowana elektrycznie. W kolejnym kroku naładowane PM są odpychane przez elektrodę

główną i przyciągane przez boczne umieszczone w analizatorze. Im większa masa cząstki, a więc i związana z nią średnica, tym jest przyciągana przez elektrodę o więk-szym potencjale (rys. 5.3b). Zawartość cząstek na elektrodach stanowi miarę liczby oraz rozkładu wymiarowego średnic. W zależności od badanego silnika, spaliny mogą być rozcieńczane przez powietrze otoczenia zasysane przez filtr HEPA (High Efficiency Particulate Air) w celu uniknięcia błędów pomiarów. Przyrząd umożliwia pomiar stę-żenia cząstek stałych silnika o średnicach od 5,6 do 560 nm przy częstotliwości pomiaru do 10 Hz (tabl. 5.3) [40].

a b

Rys. 5.3. Analizator EEPS TSI 3090: a – widok, b – schemat działania [40]

Tablica 5.3. Podstawowe dane techniczne analizatora TSI 3090 EEPS [40]

Parametr Wartość

Mierzony składnik Stężenie i rozkład wymiarowy liczby cząstek stałych (PN)

Zakres pomiarowy [nm] 5,6–560

Temperatura działania [°C] 0–40

Przepływ próbki [dm³/min] 1

Zasilanie [V] 220–240

5.2. Analiza emisji zanieczyszczeń z pojazdów pozadrogowych