Paweł Daszkiewicz, Dawid Gallas, Maciej Andrzejewski
Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” w Poznaniu
Agnieszka Merkisz-Guranowska, Łukasz Stawecki
Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu
OCENA WPŁYWU MODERNIZACJI LOKOMOTYW
SPALINOWYCH NA EMISJĘ ZANIECZYSZCZEŃ
Rękopis dostarczono, maj 2016
Streszczenie: W artykule w głównej mierze przedstawiono efekty prowadzonych prac, w postaci
wyników badań emisyjnych pojazdów, nad przystosowaniem sprowadzanych z zagranicy lokomotyw spalinowych starego typu do warunków ruchu na polskich liniach kolejowych (dopuszczenie do eksploatacji). W celu dokonania analizy właściwości ekologicznych pojazdów, przeprowadzono pomiary emisji spalin w warunkach stacjonarnego testu badawczego ISO 8178-F.
Słowa kluczowe: środki transportu kolejowego, emisja związków toksycznych, ochrona środowiska
1. WPROWADZENIE
W okresie ostatnich kilkudziesięciu lat w krajach Unii Europejskiej (UE) wdrożono różne prawne instrumenty, mające na celu poprawę jakości powietrza atmosferycznego. Uzyskano to m.in. w wyniku kontrolowania emisji szkodliwych zanieczyszczeń dla zdrowia człowieka i środowiska naturalnego [2, 5]. Dopuszczalne emisje składników gazowych spalin oraz cząstek stałych w UE ze względu na zaostrzane ograniczenia charakteryzują się coraz mniejszymi wartościami [1, 6]. Specyfika zmian taboru spalinowego dokonywana w warunkach krajowych wymaga nie tylko określania zgodności poziomu emisji zanieczyszczeń z silników spalinowych z normami, ale jednocześnie oceny stopnia ich ograniczania. Stan techniczny krajowych, spalinowych pojazdów szynowych wymusza konieczność ich ciągłego monitorowania. Z tego względu wymagana jest cykliczna ocena uciążliwości środowiskowej tych pojazdów.
Mimo niewielkiego udziału pojazdów szynowych w całkowitej emisji szkodliwych składników w spalinach emitowanych przez środki transportu, wytyczane są kolejne cele pozwalające na ograniczenie uciążliwości środowiskowej rozpatrywanego rodzaju transportu. Określono więc cele dotyczące przede wszystkim ochrony klimatu (ograniczenia w emisji dwutlenku węgla), ograniczenia energochłonności ruchu oraz redukcji emisji składników szkodliwych spalin. Do 2020 roku przewoźnicy europejscy powinny dokonać zmniejszenia średniej emisji dwutlenku węgla o około 30% w stosunku
i zastąpienia jej trakcją elektryczną (rys. 1).
Rys. 1. Propozycje ograniczenia emisji dwutlenku węgla, zużycia energii oraz emisji składników toksycznych ze źródeł kolejowych w Europie [3]
Według prognoz zużycie energii do roku 2030 ma zostać ograniczone o 30% (w porównaniu do roku 1990). Do roku 2050 proponuje się ograniczyć to zużycie o połowę w stosunku do roku 1990. Kluczowymi toksycznymi składnikami spalin, które podlegają ograniczeniom są tlenki azotu oraz cząstki stałe o małych średnicach tzw. PM10 (średnica do 10 μm). Założonym celem do 2030 roku jest ograniczenie emisji tych składników o 40% (w stosunku do roku 2005), natomiast w roku 2050 planowane jest całkowite wycofanie lokomotyw spalinowych, co ma doprowadzić do zerowej emisji tlenków azotu i cząstek stałych do atmosfery.
2. OCENA TOKSYCZNOŚCI SPALIN
Analizę toksyczności spalin wykonano między innymi w odniesieniu do liniowej lokomotywy spalinowej serii BR232, sprowadzonej do Polski z Bułgarii, po wcześniejszym wycofaniu z eksploatacji na tamtejszych szlakach kolejowych (rys. 2). Przedmiotowa lokomotywa wyposażona była w silnik o mocy 2205 kW (oznaczenie 5D49), wyprodukowany w 1977 r.
Rys. 2. Obiekt badań podłączony do opornika wodnego
Badania toksyczności spalin wykonano w warunkach stacjonarnego testu ISO 8178-F (rys. 3) na stanowisku wyposażonym m.in. w opornik wodny. Parametry emisyjne – stężenie poszczególnych składników toksycznych w spalinach – określano przy wykorzystaniu analizatora spalin Testo 360 (rys. 4). Wartości oczekiwanych parametrów pozyskiwano po dostarczeniu próbki spalin do wspomnianego urządzenia (sonda zamontowana w układzie wylotowym silnika lokomotywy). Parametry pracy silnika, w tym jego moc, były natomiast określane z pozycji maszynisty – panel kontrolny w kabinie.
Na podstawie zmierzonego stężenia związków toksycznych w gazach wylotowych w postaci tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu, obliczono w dalszej kolejności ich emisję jednostkową. Zbiorcze zestawienie przedmiotowej emisji zaprezentowano na rysunku 5. Zawiera ono dla porównania wartości określone dla poszczególnych etapów prac, mających na celu przystosowanie importowanej lokomotywy BR232 do eksploatacji na polskich liniach kolejowych, czyli dla nieznacznej modernizacji silnika lokomotywy (m.in. wymiana wtryskiwaczy oleju napędowego) oraz jego naprawy głównej. Dla celów poglądowych na wykresie zamieszczono również wartości dopuszczalnej emisji jednostkowej toksycznych składników spalin w ujęciu normy ORE B13 (obowiązującej w trakcie homologacji silnika 5D49 lokomotywy) oraz obecnie najczęściej spełnianej przez nowoczesne jednostki napędowe lokomotyw spalinowych – Stage III A.
Rys. 3. Test ISO 8178-F (zaznaczono kolejność faz i udziały faz w teście) [7, 9]
Rys. 4. Analizator spalin Testo 360 – schemat budowy [10]
Z uwagi na znaczne wyeksploatowanie silnika wartości dla lokomotywy sprowadzonej z zagranicy w dużym stopniu przekraczają wartości normatywne, co można byłoby
stwierdzić także organoleptycznie (przezroczystość spalin) podczas wykonywania pomiarów zawartości związków toksycznych w spalinach. Początkowo w trakcie badań natrafiono na problem z uzyskaniem pełnej mocy przez silnik lokomotywy (niestabilne parametry pracy aparatury wtryskowej), co objawiało się też bardzo dużą emisją zanieczyszczeń (rys. 6). Naprawa główna silnika 5D49 z kolei spowodowała spełnienie ze znacznym zapasem wartości usankcjonowanych w normie ORE B13. W przypadku tlenku węgla wspomniana naprawa pozwoliła nawet na uzyskanie wartości emisji jednostkowej dużo mniejszej niż ta zawarta w restrykcyjnej normie Stage III A.
Rys. 5. Emisja jednostkowa związków toksycznych z lokomotywy BR232 na tle unormowań emisyjnych
Rys. 6a. Emisja spalin z silnika lokomotywy przed modernizacją (problemy z uzyskaniem pełnej mocy)
Rys. 6b. Emisja spalin z silnika lokomotywy po modernizacji
3. PODSUMOWANIE
Przystosowanie importowanego taboru spalinowego do użytkowania w Polsce (czy też modernizacja przestarzałego taboru krajowego) polega zasadniczo na zastępowaniu wyeksploatowanych tłokowych silników spalinowych jednostkami nowszymi (nie zawsze nowymi), naprawie głównej lub poddawaniu ich remotoryzacji [4]. Naprawa lub wymiana silnika spalinowego wiąże się zarówno z korzyściami ekologicznymi, jak i ekonomicznymi (mniejsze zużycie paliwa) [8]. Ten pierwszy aspekt udało się potwierdzić w wyniku przeprowadzonych badań emisyjnych na oporniku wodnym. W dalszej kolejności przewidywane są również badania energochłonności ruchu w celu oszacowania wspomnianych korzyści ekonomicznych.
Przeprowadzane prace modernizacyjne odnośnie do eksploatowanych w Polsce lokomotyw spalinowych starego typu pozwolą przyczynić się do spełnienia, narzucanych przez różnego rodzaju organy i instytucje odpowiedzialne za ochronę klimatu ziemskiego, ograniczeń, co do emisji zanieczyszczeń z pojazdów transportu masowego wykorzystywanych w kolejnictwie. Z uwagi na bardzo toksyczne oddziaływanie na organizmy żywe obecnie największą uwagę przykłada się do emisji cząstek stałych o bardzo małych średnicach (rzędu 10 μm) oraz emisji tlenków azotu z dużych silników o zapłonie samoczynnym – HDD (Heavy Duty Diesel). W obliczu wzrastającego efektu cieplarnianego istotna jest także emisja dwutlenku węgla do atmosfery. Stąd też w trakcie modernizacji starych pojazdów kolejowych, obok wyżej wspomnianych rozwiązań konstrukcyjnych i eksploatacyjnych, stosuje się także takie rozwiązania jak hybrydyzacja układów napędowych lokomotyw, przede wszystkim manewrowych (z uwagi na charakter ruchu).
Bibliografia
1. Directive 2004/26/EC of the European Parliament and of the Council amending Directive 97/68/EC on the approximation of the laws of the Member States relating to measures against the emission of gaseous and particulate pollutants from internal combustion engines to be installed in non-road mobile machinery. 21.04.2004.
2. ISO: Reciprocating internal combustion engines – exhaust emission measurement – Part 1: Test-bed measurement of gaseous and particulate exhaust emissions. Draft International Standard ISO/DIS 8178– 1.2, 1995.
3. Kettner J.: Moving Towards Sustainable Mobility a Strategy for 2030 and Beyond for the European Railway Sector. 12 UIC Sustainability Conference, Venice 2012.
4. Marciniak Z., Stawecki W., Merkisz J., Pielecha I., Pielecha J.: Możliwości modyfikacji taboru spalinowego w celu zmniejszenia jego oddziaływania na środowisko naturalne, Technika Transportu Szynowego, nr 3, 2011, s. 43‒48.
5. Norma PN-EN ISO 8178-4, Silniki spalinowe tłokowe. Pomiar emisji spalin. Cykle badawcze silników o różnym zastosowaniu. Wyd. styczeń 1999.
6. Pielecha I., Pielecha J.: Tendencje w przepisach dotyczących emisji związków toksycznych przez silniki spalinowe pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe, nr 1, 2005, s. 52‒59.
7. Stawecki W., Marciniak Z., Pielecha I., Pielecha J.: Problems of exhaust gas emission of modernized diesel locomotives operating in Poland, Combustion Engines 1/2014, pp. 48‒58.
8. Szeląg A., Maciołek T.: Rozwiązania techniczne w układach zasilania poprawiające efektywność energetyczną transportu szynowego, Pojazdy Szynowe 3/2015.
9. www.delphi.com/manufacturers/auto/powertrain/emissions_standards (dostęp w dniu 20.03.2016). 10. www.testo.com.pl (dostęp w dniu 20.03.2016).
THE IMPACT OF DIESEL LOCOMOTIVE MODERNIZATION ON EXHAUST EMISSIONS
Summary: The article mainly presents the effects of works, in the form of vehicle emission test results, in
the field of adaptation imported from abroad old type diesel locomotives to the driving conditions on the Polish railway lines (entry into exploitation). In order to analyze the ecological characteristics of this type of vehicle emission measurements were carried out under steady research ISO 8178-F test.