Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa

Wyznaczenie emisji składników spalin z dowolnego pojazdu lub silnika możliwe jest kilkoma sposobami:

a) na podstawie badań na hamowni silnikowej – określa się stężenie składników spa-lin; uwzględniając – zgodnie z normą – przeliczniki dotyczące charakterystycznych wielkości poszczególnych składników spalin oraz wykorzystując zmierzone wartości mocy silnika, możliwe staje się wyznaczenie emisji jednostkowej [g/(kWh)] danego składnika spalin,

b) na podstawie badań na hamowni podwoziowej – określa się emisję spalin w ślonym teście jezdnym, i również na podstawie norm i regulaminów możliwe jest okre-ślenie emisji drogowej [g/km; g/test] danego składnika spalin,

c) na podstawie badań drogowych – określa się stężenie składników gazowych oraz masę i liczbę cząstek stałych, a przy uwzględnieniu wydatku spalin również emisję dro-gową tych składników.

Wartości emisji zanieczyszczeń z pojazdów (lub silników) określone na podstawie przedstawionych metod nie mogą być ze sobą porównywane. Sposób i warunki prze-prowadzania prób są odmienne, co powoduje brak ujednolicenia tych metod. W pracy przyjęto, że badania emisji spalin i zużycia paliwa prowadzone będą z wykorzystaniem mobilnego układu do pomiaru emisji zanieczyszczeń PEMS (Portable Emission Measu-rement System). System taki umożliwia pomiar wszystkich parametrów pracy silnika i pojazdu [53]. Dopuszcza się jednak wykorzystanie, do określenia wartości obciążenia (momentu obrotowego) i prędkości obrotowej silnika, prędkości jazdy pojazdu, natęże-nia przepływu paliwa i temperatury czynnika chłodzącego, danych ze sterownika pojaz-du. Przepisy wymagają, by były one dostarczane przez jednostkę sterującą pojazdu oraz odczytywane i rejestrowane przez systemy typu PEMS. Należy zasygnalizować, że wy-niki badań emisji zanieczyszczeń pozyskiwane podczas badań drogowych są warto-ściami rzeczywistymi dla danego typu pojazdów i dotyczą konkretnych warunków dro-gowych. Warunki takie pozwalają oszacować stopień ekologiczności badanych pojaz-dów i ich silników podczas typowej eksploatacji [54–57].

Pomiarów natężenia emisji zanieczyszczeń dokonano według poniżej przedstawio-nego algorytmu, z zastrzeżeniem jego modyfikacji, która polegała na wprowadzeniu do niego elementów pozwalających na wykorzystanie w badaniach dwuwymiarowych cha-rakterystyk we współrzędnych odnoszących się do silnika lub do pojazdu (odpowiednio były to współrzędne: obciążenie silnika–prędkość obrotowa silnika oraz przyspieszenie pojazdu–prędkość pojazdu).

Masowe natężenie przepływu spalin wilgotnych Gs oblicza się w g/s według wzoru:

e p

s G G

G   (5.1)

gdzie:

Gp – masowe natężenie przepływu powietrza wilgotnego [g/s], Ge – masowe natężenie zużycia paliwa [g/s].

Natężenie emisji poszczególnych zanieczyszczeń gazowych oblicza się (w g/s) na podstawie zależności:



K – współczynnik korekcyjny wilgotności NOH x,

 – współczynnik korekcyjny stężenia CO i NO_x w spalinach suchych.

Współczynnik KH oblicza się według wzoru [91]:



 



TZS – temperatura zasysanego powietrza [K],

H – wilgotność powietrza zasysanego w gramach wody na 1 kg suchego powietrza (zawartość wilgoci) [g/kg].

Wilgotność bezwzględną powietrza obliczyć można z następującej zależności:

2

i – wilgotność względna powietrza dolotowego [%], p_a – ciśnienie atmosferyczne [Pa],

p – ciśnienie nasycenia pary wodnej w powietrzu dolotowym [Pa].

Współczynnik  oblicza się według wzoru:



Emisję drogową zanieczyszczeń bj wyrażoną w gramach na kilometr oblicza się z za-leżności:

V

b_CO,HC,NOx E^CO,HC,NOx (5.10)

gdzie:

V – prędkość pojazdu [m/s].

Dwuwymiarowa charakterystyka udziału czasu pracy posłużyła do określenia natę-żenia emisji zanieczyszczeń w poszczególnych zakresach pracy silnika (lub pojazdu).

Charakterystyka ta zastępuje cały cykl drogowy punktami pomiarowymi na charaktery-styce pracy silnika i umożliwia wyznaczenie natężenia emisji związków szkodliwych.

Wprawdzie charakterystyka ta nie uwzględnia właściwości dynamicznych silnika,

zde-finiowanych zależnością: sterowanie – moment obrotowy, to publikowane wyniki op-tymalizacji z użyciem takiej dwuwymiarowej charakterystyki wskazują, że uproszcze-nie takie jest dopuszczalne [53].

Wyniki badań zanieczyszczeń jako zależność prędkości pojazdu od czasu, uwzględ-niające przełożenia skrzyni biegów, traktowane są w tym zagadnieniu jako model eks-ploatacji silnika. W pierwszym etapie wyznacza się dwa synchroniczne przebiegi:

(t) M M i n(t)

n _o  _o dla t(0,t_t) (5.11)

gdzie:

t_t – czas trwania testu lub pomiarów.

Pole pracy silnika w układzie n–Mo dzieli się na prostokątne elementy o wymiarach (rys. 5.1):

N n Δn n^max  ^min

 (5.12)

M M ΔM_o M^omax  ^omin

 (5.13)

Dla elementu o numerach (i, j) dwuwymiarowa charakterystyka (DC) zdefiniowana jest następująco:

t ) j , i ( ) j , i

( t

DC t (5.14)

gdzie t(i,j) – czas pracy silnika, w którym parametry (n, Mo) należą do pola ΔLs oznaczo-nego numerami i, j (rys. 5.1).

Rys. 5.1. Podział pola pracy silnika na elementy M_o

Mo

M_o

1 2 3 . . . N

i

M

1 2 3 . .

j

n

Mo

n_min n n_max

Ls

Spełnione muszą być przy tym związki: Rozpatrywana dwuwymiarowa charakterystyka wiąże właściwości silnika ze sposo-bem jego eksploatacji. Eksploatacja silnika, a w szczególności silnika spalinowego ma charakter losowy. Prawdopodobieństwo pracy silnika w elemencie pola ΔLs(i,j) wyzna-cza zależność: a gęstością realizacji procesu losowego jest następujący:

)

co dla dostatecznie dużych wartości czasu:

)

Charakterystyczną wielkością danego elementu pola pracy silnika jest jego środek, który na potrzeby niniejszej pracy wyznaczano jako średnią arytmetyczną początku i końca przedziału danego zakresu prędkości i obciążenia silnika.

W polu pracy silnika każdemu punktowi (n, M_o) przyporządkować można zbiór wy-branych parametrów konstrukcyjnych i nastaw. Przypisując te parametry współrzędnym środka elementu pola pracy w elemencie (i, j), otrzymuje się macierze np. natężenia emisji danego związku toksycznego Ek. Na tej podstawie dla danego sposobu eksploata-cji pojazdu można wyznaczyć np. drogową emisję poszczególnych zanieczyszczeń:



Obiektami badań były pojazdy Volkswagen Caddy Eco Fuel. Już na etapie produkcji model ten przystosowywany jest do zasilania sprężonym gazem ziemnym (CNG), który jest głównym paliwem. Zasilanie benzyną traktowane jest jako awaryjne, i z tych względów objętość zbiornika benzyny została ograniczona do 12 dm³. Paliwo gazowe magazynowane jest w czterech stalowych zbiornikach ciśnieniowych, które umożliwia-ją przechowywanie łącznie ok. 26 kg CNG (rys. 5.2), co pozwala na pokonanie odległo-ści w granicach 400–440 km.