Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian ab d
Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
Arkadiusz Stojecki
Instytut Bada i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o. o.
BADANIA EMISJI SPALIN POJAZDÓW
O RÓNEJ KLASIE EMISYJNEJ
ZASILANYCH GAZEM ZIEMNYM
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki bada drogowych emisji spalin pojazdów o ró nej
klasie emisyjnej zasilanych spr onym gazem ziemnym w ró nych warunkach ruchu. Badania emisji spalin wykonano podczas przejazdów wyznaczon tras pomiarow, któr podzielono na odcinki o ró nej specyfice nat enia ruchu drogowego. Dla ka dego odcinka – etapu bada wyznaczono charakterystyk przejazdu oraz wartoci emisji drogowej zwizków szkodliwych spalin dla pojazdów ró nej klasy emisyjnej. Obiektami bada byy pojazdy o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 o zbli onym przebiegu (75 000 km), napdzane spr onym gazem ziemnym. Do pomiarów st enia zwizków szkodliwych wykorzystano mobilny analizator typu PEMS (Portable Emission Measurement System) do bada toksycznoci Semtech DS firmy Sensors. Dodatkowo wykorzystano dane przesyane z systemu diagnostycznego pojazdu oraz sygnau lokalizacji GPS. Wyniki posu yy do porównania pojazdów oraz okrelenia wska ników emisyjnoci, które wykorzystano do ekologicznej oceny obiektów bada pod wzgldem emisji zwizków szkodliwych.
Sowa kluczowe: emisja spalin, zasilanie gazem ziemnym, badania drogowe
1. WPROWADZENIE
Obecnie zauwa alna jest wyra na tendencja globalnego traktowania zagro e rodowiska ze strony motoryzacji. Przepisy zezwalajce na dopuszczenie pojazdów do u ytkowania, okresowe badania kontroli stanu technicznego oraz pozostae akty prawne, zwizane bezporednio i porednio z produkcj, u ytkowaniem i zagospodarowaniem zu ytych wytworów cywilizacji, traktuj zagadnienia ochrony rodowiska w sposób kompleksowy. Wzrost liczby pojazdów na wiecie oraz zwikszajce si zanieczyszczenie rodowiska naturalnego powoduj coraz wiksze zaanga owanie producentów pojazdów
w przygotowanie i promowanie pojazdów ekologicznych (w tym zasilanych paliwami alternatywnymi). Najnowsze wyniki bada prowadzonych w warunkach rzeczywistej eksploatacji wskazuj, e emisja szkodliwych skadników spalin dla takich pojazdów jest zdecydowanie mniejsza ni w przypadku zasilania paliwami konwencjonalnymi [1, 2, 3]. W zwizku z powy szym dostrzegalny jest trend wykazania zalet pojazdów zasilanych gazem ziemnym w ró nych warunkach ruchu – równie dla ró nych klas emisyjnych tych pojazdów.
Na podstawie dostpnych rozwiza na rynku mo na zao y, i w przypadku pojazdów osobowych i dostawczych zasilanych CNG ich zasig jest o okoo 50% mniejszy w porównaniu z tymi samymi modelami zasilanymi olejem napdowym. Wniosek ten jest suszny w stosunku do pojazdów, które fabrycznie przystosowane s do zasilania spr onym gazem ziemnym. Cecha ta powoduje, i samochody zasilane CNG w wikszym stopniu s u ytkowane w du ych aglomeracjach miejskich, bd te w ich bezporednim pobli u, ze wzgldu na dostpno stacji tankowania gazem.
2. METODYKA BADA
2.1. WARUNKI POMIARÓW
Celem bada byo porównanie wyników bada drogowych emisji spalin pojazdów o ró nej klasie emisyjnej zasilanych spr onym gazem ziemnym w ró nych warunkach ruchu. Badania emisji spalin wykonano podczas przejazdów wyznaczon tras pomiarow, któr podzielono na odcinki o ró nej specyfice nat enia ruchu drogowego (rys. 1). Dla wybranych odcinków – etapów bada, wyznaczono charakterystyk przejazdu oraz wartoci emisji drogowej zwizków szkodliwych spalin dla pojazdów ró nej klasy emisyjnej. Charakterystyk trasy i parametrów przejazdów przedstawiono w tablicy 1.
Tablica 1
Charakterystyka trasy przejazdu z podziaem na odcinki pomiarowe Pojazd/ klasa emisyjna Etap Czas testu [s] Dugo drogi [m] Prdko rednia [km/h] Udzia postoju [%] Udzia a < 0 [%] Udzia a = 0 [%] Udzia a > 0 [%] CNG / Euro 4 I (A–B) 965 19087 71,20 3,42 33,44 29,71 33,44 II (B–C) 525 8606 58,97 0,19 34,29 18,10 47,43 III (C–D) 628 10668 61,04 0,16 31,37 26,11 42,36 IV (D–E) 571 8339 52,54 4,20 34,97 16,96 43,88 V (E–A) 1380 17073 44,54 12,27 32,97 23,23 31,35 cznie 4067 63 763 56,44 5,55 32,98 23,85 37,62 CNG / Euro 5 I (A–B) 983 19147 70,99 7,42 29,47 29,98 33,13 II (B–C) 546 8575 56,50 0,18 35,16 21,61 43,04 III (C–D) 598 10711 64,36 0,83 32,39 29,05 37,73 IV (D–E) 440 7823 63,97 0,23 32,50 22,27 45,00 V (E–A) 1261 17108 48,84 11,06 29,78 23,38 35,78 cznie 3828 63 364 59,78 5,73 31,39 25,58 37,50
2.2. OBIEKTY BADA
Obiektem bada byy pojazdy z silnikiem o zaponie iskrowym zasilane spr onym gzem ziemnym, wyposa one w manualn skrzyni biegów o przebiegu 75 000 km (pozostae parametry: silnik 4-cylindrowy o pojemnoci: 2,0 dm3, wyposa ony w reaktor trójfunkcyjny, system diagnostyczny EOBD – ISO 14230, speniajcy norm Euro 4 oraz – drugi pojazd – Euro 5). Pojazdy byy fabrycznie przystosowane do zasilania gazem ziemnym i byo to podstawowe paliwo w nich stosowane. Pomiary emisji spalin wykonano w okolicach Poznania gównie na obszarach podmiejskich. Testy wykonano w dwóch wariantach pojazdów: o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 oraz zbli onym przebiegu – 75 000 km (rys. 2). Pomiary wykonano 3-krotnie – wartoci przedstawione w artykule s wartociami urednionymi.
2.3. APARATURA BADAWCZA
Do pomiarów st enia zwizków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator Semtech DS [2, 4]. Umo liwia on pomiar zwizków szkodliwych – tlenku wgla, dwutlenku wgla, wglowodorów oraz tlenków azotu. Natomiast do pomiaru masy czstek staych posu y mobilny analizator AVL 483 Micro Soot Sensor [9]. Pomiary rozkadu wielkoci czstek staych dokonano za pomoc spektrometru masowego 3090 EEPS firmy TSI Incorporated [7]. Na rysunku 3 przedstawiono schemat pomiarowy systemu do przeprowadzenia bada w rzeczywistych warunkach ruchu.
Rys. 3. System pomiarowy wykorzystany do bada w rzeczywistych warunkach ruchu
3. WYNIKI BADA I ICH ANALIZA
3.1. CHARAKTERYSTYKA WARUNKÓW RUCHU
Wybrane do analizy etapy bada charakteryzoway si zró nicowanymi warunkami jazdy co bezporednio przekadao si na inne warunki pracy silnika. Etap I (przejazd drog szybkiego ruchu ze skrzy owaniami) do charakteryzowa si du ym udziaem (okoo 30%) prdkoci pojazdu z zakresu 24–30 m/s (prdko rednia okoo 70 km/h) oraz 3-procentowym udziaem zatrzymania pojazdu (rys. 4a i 5a). Taka charakterystyka odcinka badawczego bezporednio wpywa na prac silnika: obszar jego pracy to gównie wartoci zwikszonej prdkoci obrotowej i mae obci enia (do 20%) z widoczn przewag ustalonego punktu pracy (rys. 6a i 7a).
spaliny Semtech DS Pomiar CO, CO2, HC, NOx = f(t) AVL 483 MSS Pomiar PM = f(t) Pomiar PN = f(t, D) TSI 3090 EEPS prze p ywomierz rozcieczanie spalin T, H GPS OBD
a) b) c)
Rys. 4. Udziay czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we wspórzdnych prdko pojazdu–przyspieszenie w ró nych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V
a) b) c)
Rys. 5. Udziay czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 we wspórzdnych prdko pojazdu–przyspieszenie w ró nych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V
a) b) c)
Rys. 6. Udziay czasu pracy silnika pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we wspórzdnych prdko obrotowa–obci enie w ró nych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V
a) b) c)
Rys. 7. Udziay czasu pracy silnika pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 we wspórzdnych prdko obrotowa–obci enie w ró nych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V
Etap III charakteryzowa si innymi warunkami: droga poza obszarem zabudowanym nie wymagaa zatrzymywania si pojazdu – w zwizku z tym taki punkt nie jest widoczny na charakterystyce pracy pojazdu (rys. 4b i 5b). Natomiast na charakterystyce pracy silnika wyra nie mniejszy jest obserwowany udzia czasu pracy na biegu jaowym (rys. 6b i 7b). Wikszy jest równie udzia du ych prdkoci obrotowych silnika i redniego obci enia – w takim obszarze silnik pracowa przez wikszo odcinka badawczego.
Ostatni etap pomiarowy odbywa si na drodze dojazdowej do Poznania oraz w obszarze zabudowanym: charakteryzowa si mniejszymi wartociami prdkoci jazdy oraz znacznym udziaem postoju pojazdu (rys. 4 c i 5c). Wynikiem takiej sytuacji byy inne warunki wykorzystania charakterystyki silnika: pracowa on gównie w zakresie maych prdkoci obrotowych i maego obci enia (rys. 6c i 7c). W tym etapie obserwowany by najwikszy udzia biegu jaowego silnika.
3.2. ANALIZA STENIA I EMISJI ZWI ZKÓW SZKODLIWYCH
Charakterystyki porównawczej st enia i emisji zwizków szkodliwych dokonano na podstawie porównania przykadowych wyników uzyskanych w etapie I – etapie charakterystycznym dla warunków ruchu wystpujcych na drodze midzymiastowej z niewielk liczb skrzy owa. Natomiast wyniki kocowe w dalszej czci artykuu bd zaprezentowane dla etapów bada przedstawionych w punkcie poprzednim.
Charakter zmian st enia i w konsekwencji nat enia emisji dwutlenku wgla dla badanych pojazdów jest bardzo zbli ony (rys. 8 a). rednia warto st enia dwutlenku wgla zawiera si w wartociach okoo 9% niezale nie od klasy emisyjnej pojazdu. Równie nat enie emisji tego skadnika spalin jest podobne. Warto rednia nat enia emisji wynosi okoo 2500 mg/s – co wiadczy o zbli onym zu yciu paliwa przez badane pojazdy. Wiksze wartoci nat enia emisji przy jednakowym poziomie st enia wiadcz o wikszym nat eniu przepywu spalin pojazdu, co jest zwizane z wikszymi wartociami prdkoci obrotowej silnika.
Podobne tendencje zaobserwowano przy pomiarze st enia i nat enia emisji tlenku wgla (rys. 8b). Widoczny jest kilkukrotny nagy wzrost st enia i nat enia emisji wywoany gwatownym zwikszeniem parametrów pracy silnika (prdkoci obrotowej i obci enia, wywoane np. zmian biegów i nagym przyspieszeniem pojazdu). Zarejestrowane wartoci nie wykazuj znaczcych ró nic w przebiegach – nale y uzna, na tym etapie analizy, e badane pojazdy napdzane gazem ziemnym o ró nej klasie emisyjnej (ale podobnym przebiegu), emituj podobn mas tlenku wgla.
Ró nice w badaniach pojazdów o ró nej klasie emisyjnej odnotowano w poziomie st enia wglowodorów. Dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 warto rednia st enia wglowodorów wynosia okoo 20 ppm, natomiast dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 – bya to warto 30 ppm (rys. 8c). Czciowym wytumaczeniem tego, mo e by wiksza temperatura w komorze spalania czego skutkiem bdzie wiksza skuteczno reaktora katalitycznego spalin. Wy sza temperatura spalania bdzie jednak powodowaa zwikszenie st enia tlenków azotu, co byo charakterystyczne dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 (rys. 8d). W porównaniu kocowych wyników nale y oczekiwa zwikszonej emisji tlenków azotu dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4.
a)
b)
c)
d)
Rys. 8. Charakterystyka st enia i nat enia emisji spalin przejazdów etapu I pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5: a) dwutlenku wgla, b) tlenku wgla, c) wglowodorów, d) tlenków
Aby wyjani to zjawisko przeanalizowano zmiany wspóczynnika nadmiaru powietrza oraz temperatur spalin w badanych pojazdach (na przykadzie etapu V). Brak ró nic w wartociach rednich dotyczcych wspóczynnika nadmiaru powietrza badanych pojazdów (rys. 9), znaczco odbiega od porównania wartoci temperatury spalin mierzonej w punkcie poboru spalin (na kocu ukadu wylotowego). Temperatura spalin dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 jest o kilkanacie stopni wiksza ni porównywalna temperatura w samochodzie o klasie emisyjnej Euro 5. Równie potwierdzeniem takiego zjawiska jest charakterystyka nat enia tlenków azotu dla badanych pojazdów (rys. 10). Porównujc jedynie wartoci maksymalne uzyskane dla tego etapu bada uzyskuje si kilkukrotnie wiksze nat enie emisji tlenków azotu dla maksymalnych zakresów pracy silnika. Pojazd klasy Euro 4 maksymalnych warunkach obci enia i prdkoci obrotowej emituje okoo 10 mg/s tlenków azotu, a pojazd o klasie emisyjnej Euro 5 – w podobnych warunkach – okoo 2 mg/s. Kilkukrotnie wiksze nat enie emisji tlenków azotu ma znaczenie w kocowym bilansie emisji, jednak e uzyskiwane wartoci emisji cakowitej nie ró ni si kilkukrotnie. Wpywa ma na to udzia czasu przebywania pojazdu w tych warunkach – jest on may – wystpuje tylko podczas nagego zwikszenia parametrów pracy silnika.
a) b)
Rys. 9. Zmiany wspóczynnika nadmiaru powietrza i temperatury spalin podczas etapu V dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 (a) oraz Euro 5 (b)
a) b)
Rys. 10. Charakterystyka nat enia emisji tlenków azotu odniesiona do warunków pracy pojazdu w etapie V dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 (a) oraz Euro 5 (b)
Wyznaczajc emisj drogow poszczególnych zwizków szkodliwych spalin na rozpatrywanych odcinkach pomiarowych uwidaczniaj si równice midzy pojazdami o ró nej klasie emisyjnej. Nieznaczne mniejsze w wartociach emisji drogowej dwutlenku wgla s potwierdzeniem uzyskanego mniejszego zu ycia paliwa (rys. 11a). Wykazana ró nica nie przekraczaa 3–4%, jednak e uzyskano j we wszystkich badanych przypadkach, co eliminuje popenienie bdu przy jego wyznaczaniu z powodu niepowtarzalnoci przejazdów w ró nych etapach bada. Emisja drogowa tlenku wgla i wglowodorów jest zbli ona midzy badanymi pojazdami (rys. 11b i 11c). Mo na uzna, e uzyskane ró nice nie s znaczce jednak e s charakterystyczne dla tych pojazdów: emisja tlenku wgla jest nieznacznie wiksza dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 ni dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4. Sytuacja jest podobna przy wyznaczaniu emisji drogowej wglowodorów. Mo na przyj tez, e producent – przy zmianie klasy emisyjnej pojazdu – zastosowa regulacj silnika, powodujc kilkuprocentowe zwikszenie emisji tlenku wgla i wglowodorów, uzyskujc jednak e znaczce zmniejszenie emisji tlenków azotu – w niektórych etapach bada o ponad 50% (rys. 11d). Zastosowanie takiego rozwizania wymusio zmniejszenie temperatury w komorze spalania silnika, ale jednoczenie mogo sta si powodem mniej skutecznego dziaania reaktora katalitycznego,
a) b)
c) d)
Rys. 11. Wartoci emisji drogowej zwizków szkodliwych dla wybranych etapów bada pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5: a) dwutlenku wgla, b) tlenku wgla, c) wglowodorów,
4. PODSUMOWANIE
Wyznaczon emisj zwizków szkodliwych porównano do wartoci normatywów, którym poddawane s pojazdy zasilane gazem ziemnym. Porównania dokonano uwzgldniajc wyniki emisji dla pojazdów klasy Euro 4 i Euro 5 we wszystkich etapach bada – z caej trasy przejazdu (rys. 12). Wynika z niego, e badane pojazdy ze znacznym zapasem speniaj limity emisji spalin, a jednoczenie s dobry przykadem dziaa na rzecz ochrony rodowiska. Zmiana klasy emisyjnej pojazdu midzy norm Euro 4 a Euro 5 wi e si jedynie ze zmniejszeniem emisji drogowej tlenków azotu (z 0,08 g/km do 0,06 g/km), przy pozostawieniu innych wartoci limitów bez zmian.
a) b)
Rys. 12. Uzyskane wyniki emisji spalin (a) i porównanie w stosunku do normy emisji spalin (b)
Bibliografia
1. Lim O., Iida N., Cho G., Narankhuu J.: The Research about Engine Optimization and Emission Characteristic of Dual Fuel Engine Fueled with Natural Gas and Diesel. SAE Technical Paper Series 2012-32-0008, 2012.
2. Merkisz J., Pielecha J., Pielecha I.: Road Test Emissions Using On-board Measuring Method for Light Duty Diesel Vehicles. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Vol. 5, No. 1, 2011. 3. Merkisz J., Pielecha J.: The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles fitted with diesel
engines. Combustion Engines, No. 2, Bielsko-Biaa 2011, s. 58-72.
TEST OF EXHAUST GAS EMISSIONS FOR VEHICLES OF DIFFERENT EMISSION CLASSES FUELLED WITH NATURAL GAS
Summary: The paper presents results of the road tests of exhaust gas emissions of vehicles of different
emission classes (Euro 4 and Euro 5, with similar mileage), fuelled with compressed natural gas. The tests of exhaust emissions were conducted on parts of the road with different characteristics of the traffic intensity. For each phase of the tests, the characteristics of the test run and the value of exhaust gas emissions were determined. To measure the concentration of harmful substances, the Portable Emission Measurement System (PEMS) was used. The results were used to compare the vehicles and determine the emission indices, which subsequently were used to assess from ecological point of view the objects of tests in terms of emissions of toxic substances.
