POLITECHNIKA POZNAŃSKA
Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn
Rozprawa doktorska
mgr inż. Łukasz Warguła
ANALIZA WPŁYWU MODYFIKACJI KONSTRUKCJI RĘBAKA DO DREWNA NA WYBRANE PARAMETRY
EKSPLOATACYJNE
Promotor:
dr hab. inż. Piotr Krawiec
Promotor pomocniczy:
dr inż. Konrad J. Waluś
Poznań 2018
2
3
Spis treść
Streszczenie ... 5
Abstract ... 7
1. Wstęp ... 9
2. Przegląd stanu wiedzy ... 10
2.1. Wpływ maszyn roboczych na środowisko naturalne oraz zdrowie i życie ludzi ... 10
2.2. Analiza homologacyjnych aktów prawnych dotyczących napędów niedrogowych maszyn ruchomych ... 20
2.3. Napędy maszyn rozdrabniających ... 25
2.4. Analiza układów sterowania napędami w kontekście możliwości ich współpracy z innowacyjnymi systemami adaptacyjnymi ... 28
2.5. Funkcje i charakterystyki stosowanych układów, systemów i podzespołów ... 38
2.6. Algorytmy sterowania silnikami spalinowymi o zapłonie iskrowym ... 41
2.7. Rozwiązania konstrukcyjne modernizujące pracę mobilnych maszyn rozdrabniających ... 43
2.8. Warunki eksploatacji rębaków ... 45
2.9. Proces skrawania ... 46
3. Teza i cel pracy ... 48
4. Badania wstępne ... 50
4.1. Analiza warunków eksploatacji członów roboczych maszyn rozdrabniających ... 50
4.2. Badania wpływu rodzaju drewna na warunki eksploatacji maszyn rozdrabniających ... 56
5. Badania zasadnicze przed modernizacją ... 61
5.1. Obiekt modernizacji ... 61
5.2. Badania rębaka walcowego z klasycznym układem sterowania i gaźnikowym układem zasilania paliwem ... 63
6. Modernizacja konstrukcji rębaka ... 73
6.1. Mechatronizacja układu zasilania paliwem- konstrukcja systemu ... 73
6.2. Mechatronizacja układu zasilania paliwem- algorytm sterowania ... 79
6.3. Adaptacyjny bezobsługowy układ sterowania napędem rębaka dopasowujący się do warunków eksploatacji ... 84
6.4. Adaptacyjny bezobsługowy układ sterowania napędem rębaka dopasowujący się do warunków eksploatacji w zależności od rodzaju drewna ... 95
7. Badania zasadnicze po modernizacji ... 97
7.1. Analiza stanów eksploatacji napędów maszyn rozdrabniających po modernizacji ... 97
7.2. Opis stanów eksploatacji napędów maszyn rozdrabniających po modernizacji ... 103
7.3. Warunki eksploatacji maszyn rozdrabniających ... 119
7.4. Badania objętości paliwa wtryskiwanego w jednym cyklu pracy silnika spalinowego ... 124
8. Model oceny efektywności systemów sterowania napędem rębaka ... 127
9. Analiza porównawcza konstrukcji układów i koncepcji sterowania napędem rębaka ... 131
10. Podsumowanie ... 138
Bibliografia ... 143
Załącznik 1- Spis oznaczeń i symboli ... 157 Załącznik 2- Konfiguracja sterownika ECU- CD ... CD
4
5
Streszczenie
Przedmiotem rozprawy jest problematyka ograniczenia energochłonności mobilnych maszyn roz- drabniających (rębaków). Głównym obszarem analizy był proces rozdrabniania prowadzany z zasto- sowaniem rębaka walcowego. Rozważono zagadnienie wpływu nowych rozwiązań konstrukcyjnych układu sterowania napędem rębaka na warunki eksploatacji maszyn tego typu. W pracy przedstawio- no trzy koncepcje sterowania napędem rębaka: sterowanie klasyczne, sterowanie z możliwością ad- aptacji do warunków eksploatacji przez detekcję obiektu oraz sterowanie z możliwością adaptacji do warunków eksploatacji przez detekcję obiektu z uwzględnieniem rodzaju rozdrabnianego drewna.
W rozdziale pierwszym zawarto wprowadzenie do tematyki pracy, wskazując sposoby ograniczania zanieczyszczeń na terenach miejskich, w wyniku których prognozowany jest wzrost zapotrzebowania na mobilne maszyny rozdrabniające charakteryzujące się niską emisyjnością i energochłonnością.
W rozdziale drugim zaprezentowano przegląd stanu wiedzy na temat wpływu maszyn niedrogo- wych na środowisko naturalne oraz na zdrowie i życie ludzi. Przedstawiono także analizę przepisów homologacyjnych dotyczących napędów niedrogowych maszyn ruchomych. Wykazano, że przepisy te są mało rygorystyczne, co sprzyja stosowaniu konstrukcji przestarzałych, o niekorzystnym oddzia- ływaniu środowiskowym. Zaznaczono również, że brak jest rozwiązań inżynierskich umożliwiają- cych adaptację napędów omawianych maszyn do zmiennych warunków.
W rozdziale trzecim sformułowano tezę, cel i zakres pracy, podkreślając, że opracowanie innowa- cyjnych systemów sterowania napędem rębaka przyczyni się do ograniczenia energochłonności ma- szyn rozdrabniających.
W rozdziale czwartym przedstawiono wyniki wstępnych badań członów roboczych maszyn roz- drabniających w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Omówiono wpływ rodzaju drewna na prze- bieg procesu rozdrabniania.
W rozdziale piątym zaprezentowano wyniki badań konstrukcji rębaka przed modernizacją i wska- zano wady dotychczasowego rozwiązania.
W rozdziale szóstym opisano modernizację konstrukcji napędu rębaka, polegającą na wprowa- dzeniu opracowanego przez autora adaptacyjnego bezobsługowego układu sterowania, opartego na detekcji obiektów rozdrabnianych w kanale podawczym.
W rozdziale siódmym przedstawiono wyniki badań rębaka po modernizacji. Rozdział ósmy poświę- cono opracowanemu przez autora modelowi oceny efektywności systemu sterowania napędem rębaka, dzięki któremu możliwa jest symulacja różnych wariantów sterowania i warunków eksploatacji.
W rozdziale dziewiątym przedstawiono analizę porównawczą wyników badań wybranych kon- strukcji układów napędowych rębaka i sposobów ich sterowania.
Pracę kończy rozdział dziesiąty, w którym podsumowano dotychczasowe prace autora oraz wska- zano kierunki dalszych badań.
6
7
Abstract
The subject of the thesis is the issue connected with lowering the consumption of energy of mo- bile wood chipping machinery (chippers). The main object of analysis was the chipping process car- ried out with the use of cylindrical drum chipper. The influence of new construction solutions of drive steering mechanism on exploitation conditions of machinery of this kind is discussed here.
Three concepts of steering of the chip driver are presented in this thesis: classis steering, steering with the possibility of adaptation to exploitation conditions by detecting an object as well as steering with the possibility of adaptation to exploitation conditions by detecting an object and taking into account kind of wood being chipped.
First chapter includes introduction to the subject-matter of the thesis, presenting the ways of limit- ing pollution in urban areas, which as forecasted will lead to an increase in the demand for mobile wood chipping machinery with lower fuel consumption and lower exhaust gases emission.
Second chapter concerns the review of the state of knowledge about the influence of non-road machinery on the environment and on human’s health and life. Also the analysis of homologation regulations of the drives of non-road mobile machinery was presented. It was shown that these regu- lations are too liberal, that allows for the use of outdated constructions with harmful influence on the environment. It was also mentioned that there is lack of engineering solutions that would allow the adaptation of the drives of these machinery to changeable conditions.
Third chapter contains thesis, aim and the range of research, underlining the fact that designing innovative systems of steering of chipper’s drive will contribute to lower fuel consumption of chop- ping machinery.
The results of preliminary research of working units of chipping machinery in real exploitation conditions are presented in chapter four. The influence of kind of wood on chipping process has been discussed here.
The results of fundamental research on the construction of chipper before modernization are pre- sented in chapter five. Also the disadvantages of hitherto solution have been underlined here.
Chapter six is about the description of modernization of construction of chipper’s drive by intro- ducing adaptative maintenance – free steering system designed by the author, that is based on the detection of chipped object in the feed tray.
Research results of chipper after modernization are presented in chapter seven. Chapter eight is devoted to, developed by the author, model of the assessment of the efficiency of steering system of chipper’s drive that allows to simulate different of variants steering and conditions of exploitation.
Chapter nine presents the comparative analysis of research results of systems and ways of steering of chipper’s drive in wood chipping machinery.
The thesis ends with chapter ten that contains the summary of previous articles of the author and indicates the area for future research.
8
9
1. Wstęp
Obserwuje się obecnie intensywny okres rozwoju techniki, zauważalny w wielu dziedzinach ży- cia. Powszechność stosowania elektroniki i cyfryzacji prowadzi do rozwoju niemal wszystkich gałęzi przemysłu. Dostępność dóbr inżynierii jest tak powszechna jak nigdy wcześniej w historii ludzkości.
Poza pozytywnymi aspektami tego zjawiska można wskazać również negatywne skutki dynamiczne- go rozwoju i powszechności techniki takie jak wyczerpywanie naturalnych, nieodnawialnych źródeł energii oraz zanieczyszczenie środowiska. Wzrost świadomości zagrożeń związanych z przekracza- niem norm emisji szkodliwych związków w powietrzu, zwłaszcza w dużych miastach, wymusza na politykach i lokalnych władzach, radykalne działania ekologiczne. Jednym z kierunków takich prac jest ograniczenie antropogenicznych szkodliwych emisji na terenie miast, a drugim – naturalne oczyszczanie tych terenów przez rozwój infrastruktury zielonych terenów miejskich. Drzewa na ta- kich terenach, pochłaniające spaliny, kurz i hałas, muszą być poddawane procesom agrokultury, czyli wycinania lub przycinania. Powstałe wówczas odpady w postaci gałęzi są przetwarzane przez ma- szyny robocze. Mechanizmy przetwórcze polegają na ich rozdrabnianiu w celu ułatwienia dalszych procesów transportu, magazynowania, kompostowania lub pozyskiwania energii. Maszyny te naj- częściej są napędzane przez silniki spalinowe, które zużywają nieodnawialne źródła energii oraz emitują szkodliwe gazy spalinowe. Niebezpieczne zwłaszcza dla operatorów tych maszyn i dla naj- bliższego otoczenia. W niniejszej pracy doktorskiej podjęto tematykę ograniczenia zużycia energii i ilościowej emisji spalin przez mobilne maszyny rozdrabniające. W tym celu wykonano szeroki program badań i analiz warunków eksploatacji maszyn rozdrabniających oraz ich napędów, uwzględniając rzeczywiste obciążenia, różnorodność konstrukcji i przepisy homologacyjne. Uzyska- ne wyniki wykorzystano do opracowania innowacyjnych układów i algorytmów sterowania napędem rębaka, opisania rzeczywistych warunków eksploatacji napędów tych maszyn, sformułowania rów- nań wykorzystanych w modelu oceny efektywności sposobu sterowania, budowy prototypu urządze- nia oraz przygotowania wytycznych inżynierskich. Na ich podstawie określono kierunki rozwoju maszyn rozdrabniających, oceniono opracowane rozwiązania oraz wskazano metody wspomagające modernizację konstrukcji i innowacyjne rozwiązania inżynierskie.
10
2. Przegląd stanu wiedzy
2.1. Wpływ maszyn roboczych na środowisko naturalne oraz zdrowie i życie ludzi
Projektowanie nowych układów modernizujących konstrukcje oraz kształtowanie innowacyjnych idei sterowania mają duże znaczenie dla rozwoju maszyn roboczych, ochrony środowiska i wzrostu efektywności procesów przetwórczych w tym rozdrabniania. Do tego niezbędna jest wiedza z zakre- su budowy i eksploatacji maszyn oraz ochrony środowiska, a także znajomość przetwarzanych mate- riałów i procesów prowadzonych z użyciem tych maszyn. Dokonano więc przeglądu stanu wiedzy w zakresie:
wpływu maszyn roboczych na środowisko naturalne oraz zdrowie i życie ludzkie,
działań prawnych w zakresie ograniczenia emisji zanieczyszczeń generowanych przez ma- szyny robocze,
napędu maszyn rozdrabniających: ich konstrukcji, klasycznego sposobu sterowania, współ- czesnych tendencji w sterowaniu silnikami spalinowymi o zapłonie iskrowym,
algorytmów sterowania współczesnymi silnikami spalinowymi o zapłonie iskrowym,
rozwiązań konstrukcyjnych modernizujących pracę mobilnych maszyn rozdrabniających,
warunków eksploatacji maszyn rozdrabniających głównie członów roboczych i napędów,
obrabianych materiałów oraz procesów ich skrawania.
Maszyny robocze mają wpływ na rozwoju przemysłu w wielu jego gałęziach wspomagają, chro- nią, a nawet zastępują ludzi. Jednak charakter ich konstrukcji lub prowadzonych procesów nie jest pozbawiony negatywnych skutków dla ludzi i środowiska. Główne wady mobilnych maszyn robo- czych to emitowanie szkodliwych związków spalin, hałasu i drgań oraz zużywanie nieodnawialnych źródeł energii. Operatorzy rębaków nie mają bezpośredniego kontaktu z maszyną, stąd jej drgania nie są dla nich znaczące, lecz odczuwają skutki pozostałych wad związanych głównie z napędami tych maszyn. Ze względu na przekraczanie stężenia zanieczyszczeń powietrza w ostatnich dziesięciole- ciach [Guerreiro i in., 2014; Nieuwenhuijsen, 2016; Squizzato i in., 2017], szczególnie w dużych miastach [Pascal i in., 2013; Beelen i in., 2014; Battista i in., 2016; Rodriguez i in., 2016] problem ten został poddany wielu analizom. Rozpatrywano m. in. wpływ zanieczyszczeń na życie ludzkie, wskazując, że są one jedną z przyczyn pogorszenia samopoczucia [Zijlema i in., 2016; Le Boennec i Salladarré, 2017], utraty zdolności fizyczno-motorycznych [Lichter i in., 2017], utraty zdrowia [Docker, 2001; Oberdorster, 2001; Vedal, 2002; Pereira Filho1 i in., 2008; Yang i Omaye, 2009;
Rückerl i in., 2011; Byeong-Jae i in., 2014; Sack i Kaufman, 2016; Sanidas i in., 2017] oraz przed- wczesnych zgonów [Hoek i in., 2013; WHO Regional Office for Europe and OECD, 2015; Badyda i in., 2017]. Maszyny robocze nie są jedynymi źródłami zanieczyszczeń powietrza. Źródła te można podzielić na naturalne [Liora i in., 2016] i antropogeniczne [Avila i Alarcon 2003]. Wśród antropo- genicznych wyróżnia się działalność człowieka, np: produkcję biomasy [Beltman i in., 2013; Cordell i in,. 2016], eksploatację pojazdów drogowych [Klæboe i in., 2008; Hulskotte i in., 2014], transport
11 lotniczy [Masiol i Harrison, 2014; Koudis i in., 2017; Yılmaz, 2017], transport morski [Bencs i in., 2017], przemysł górniczy i wydobywczy [Fugiel i in., 2017], użytkowanie gospodarstw domowych [Büchs i Schnepf, 2013; Pyka i Wierzchowski, 2016], pracę elektrowni i elektrociepłowni [Bieda, 2011; Dulcea i Ionel, 2015] itp. Ze względu na wzrost poziomu zanieczyszczeń powietrza w aglome- racjach miejskich konieczne jest wprowadzenie ograniczeń prawnych emisji szkodliwych związków spalin we wszystkich gałęziach przemysłu [Szczepanek, 2009; Jaś-Nowopolska, 2014], w tym emisji, których źródłem są napędy maszyn i urządzeń stosowanych w niedrogowych maszynach ruchomych.
Niedrogowe maszyny ruchome wg europejskiej dyrektywy odnoszącej się do emisji szkodliwych związków spalin to [Journal of Laws from 2014, No. 0, item 588]: „transportowe urządzenie przemy- słowe lub pojazd z nadwoziem albo bez nadwozia nieprzeznaczony do przewozu osób lub ładunków po drogach oraz dowolna maszyna ruchoma przeznaczona i przystosowana do poruszania się lub przemieszczania się po drogach lub po szynach i wyposażona w silnik:
o zapłonie samoczynnym o mocy netto równej lub większej niż 19 kW, lecz nie większej niż 560 kW, który pracuje najczęściej przy zmiennej prędkości obrotowej niż przy jednej stałej prędkości obrotowej, lub
o zapłonie samoczynnym o mocy netto równej lub większej niż 19 kW, lecz nie większej niż 560 kW, który pracuje przy stałej prędkości obrotowej, lub
o zapłonie iskrowym o mocy netto nie większej niż 19 kW, zasilany benzyną, lub
skonstruowany do napędu wagonów silnikowych, które są samojezdnymi pojazdami szyno- wymi przeznaczonymi do przewozu ładunków lub pasażerów, lub
skonstruowany do napędu lokomotyw, które są samojezdnymi pojazdami szynowymi prze- znaczonymi do poruszania lub napędu wagonów zaprojektowanych do przewozu ładunków oraz pasażerów z wyjątkiem osób obsługujących lokomotywę.”
Do niedrogowych maszyn ruchomych, w których zamontowane są silniki o zapłonie iskrowym, zalicza się m. in. rębaki gałęzi [Journal of Laws from 2014, No. 0, item 588].
Ograniczenie emisji zanieczyszczeń jest również niezbędne ze względu na ich bezpośrednie od- działywanie na człowieka [Zeng i in., 2016; Tang i in., 2017]. Na świecie prowadzone są badania nad poziomem emisji toksycznych związków spalin generowanych przez silniki spalinowe napędzające niedrogowe maszyny ruchome i nad ich oddziaływaniem na środowisko oraz operatorów [Czerwin- ski i in., 2014; Lijewski, 2015; Merkisz i in., 2016; Liu i in., 2016; Dimou i in., 2017; Hooper i in., 2017]. Badania prowadzone w Chinach w 2006 roku [Zhang i in., 2006] wykazały, że emisja PM2,5 z pojazdów drogowych wyniosła 123 000 ton, a napędy urządzeń pozadrogowych wygenerowały ich 38 000 ton [Wang i in., 2016]. Wyniki badań przeprowadzonych w USA w 2006 roku świadczą o tym, że operatorzy maszyn napędzanych tymi silnikami mogą być podczas ich pracy narażeni na znacznie większy poziom CO oraz PM2,5 [Baldauf i in., 2016]. Oznacza to, że emisja zanieczysz- czeń generowanych przez urządzenia tego typu nie może być ignorowana, ponieważ stanowi nie tylko część emisji globalnej, ale również jest znacząca lokalnie, jako realne zagrożenie życia i zdrowia ludzi na stanowiskach pracy.
12
W literaturze przedmiotu porusza się również tematykę prawnych regulacji emisji zanieczyszczeń powietrza generowanych w Europie [Waluś, Warguła i in., 2018]. Wskazuje się następujące prawno- polityczne kierunki dążenia do redukcji emisji toksycznych związków gazów spalinowych pocho- dzących z silników spalinowych:
rygorystyczne normy emisji na etapach homologacji, eksploatacji oraz produkcji;
inwestycje w rozwój technologiczny konstrukcji opartych na wykorzystaniu produktów z ropy naftowej oraz od niej niezależnych;
paliwowe reformy podatkowe.
Na podstawie szacowanej emisji zanieczyszczeń w całej Europie lub na jej wybranych obszarach oraz przewidywanych skutków wprowadzenia ograniczających ją rozwiązań, naukowcy wskazują, że efekty tych działań są niejednoznaczne lub bardzo złożone. Bagayev i Lochard w artykule z 2017 roku dotyczącym regulacji zanieczyszczeń powietrza generowanych przez przemysł w Unii Europej- skiej, wskazują że rozwinięte kraje UE wdrażają bardziej rygorystyczne normy emisji zanieczysz- czeń powietrza niż kraje rozwijające się europejskie lub azjatyckie, ponieważ importują z tych państw więcej produktów z sektorów gospodarki intensywnie zanieczyszczających powietrze [Ba- gayev i Lochard, 2017]. Rafaj, Amann i Siri w 2014 roku wskazali, że przyjęte przez Komisję Euro- pejską w 2005 roku założenia strategii ograniczenia emisji zanieczyszczeń powietrza TSAP (ang.:
Thematic Strategy on Air Pollution) nie zostaną spełnione bez dodatkowych działań [Rafaj i in., 2014]. W 2017 roku Lacressonnière i inni autorzy wskazali, że zgodnie z obecnymi scenariuszami prawnymi szczególnie nad krajami Beneluksu, roczna emisja PM10 może się zmniejszyć od 1,8 2,9 μg/m3. Jednak gdy zostaną wdrożone maksymalne technologiczne możliwości redukcji, emisja może osiągnąć poziom 1,4 1,9 μg/m3 [Lacressonnière i in., 2017]. Sumaryczne określenie poziomu emisji zanieczyszczeń na konkretnych obszarach geograficznych jest złożone i wielowy- miarowe. Problematykę tę w swoich opracowaniach poruszają cytowani autorzy [Ederington i in., 2005; Levinson i Taylor, 2008; Brunel i Levinson, 2016]. Odmiennym sposobem ograniczania emisji gazów spalinowych w Europie są reformy podatkowe. Skutki takich interwencji politycznych opisali Zimmer i Koch w 2017 roku, wskazując, że zużycie paliw jest elastyczne, a skutki reform znacząco wspomagają osiągnięcie w 2020 roku celów UE w zakresie polityki przeciwdziałania zmianom kli- matycznym [Zimmer i Koch, 2017]. Europejska polityka w zakresie ograniczenia emisji zanieczysz- czenia powietrza nie jest spójna, lecz przyjęte kierunki (zmiany technologii, rygorystyczne przepisy homologacyjne lub paliwowe przepisy podatkowe) przynoszą wymierne korzyści [Creutzig i in., 2011]. Badania wykazały silną synergię między polityką klimatyczną a polityką w zakresie zanie- czyszczenia powietrza [Bollen i Brink, 2014; Nam i in., 2014]. Rynek motoryzacyjny w celu wspie- rania ograniczenia zmian klimatycznych zmniejsza zależność od ropy naftowej. W UE prace nad standardami efektywności paliwowej rozpoczęto od dobrowolnego porozumienia, ustanawiającego jako ogólno unijny cel emisję 140 g CO2/km; ma on być osiągnięty przez europejskich, japońskich i koreańskich producentów samochodów. W 2009 roku wskazano, że do roku 2015 wartość ta ma być równa 130 g CO2/km [Creutzig i in., 2011]. Zmniejszenie emisji o 10 g CO2/km można uzyskać
13 przez wdrożenie mniej energochłonnych opon, układów monitorowania ciśnienia w oponach oraz wskaźnika zmiany biegów [Regulation (EC) No. 443/2009]. Celem długoterminowym, ustalonym na 2020 rok, jest zmniejszenie emisji CO2 do 95 g/km [Creutzig i in., 2011]. Autorzy powyższych prac potwierdzają wniosek Bagayeva i Locharda z 2017 roku, że nie można jednoznacznie określić wpły- wu przepisów regulujących ochronę środowiska oraz oddziaływanie gospodarki na jakość powietrza [Bagayev i Lochard, 2017]. W przeciwieństwie do globalnych regulacji prawnych związanych z emi- sją szkodliwych substancji przez eksploatowane urządzenia, ograniczenia homologacyjne wymuszają na producentach wytwarzanie urządzeń przyjaznych środowisku, wypierających maszyny starsze pod względem technologicznym. Uzyskane efekty stosowania rygorystycznych norm w omawianym zakresie jednoznacznie wpływają na ograniczenie emisji zanieczyszczeń.
Pierwsze europejskie regulacje prawne dotyczące pojazdów o zastosowaniach pozadrogowych przedstawiono w grudniu 1997 roku [Directive 97/68/EC]. Regulacje ograniczające poziom emisji związków toksycznych wprowadzono w dwóch etapach w roku 1999 Stage I, w latach 2001 2004 Stage II, w zależności od mocy silnika. Pierwsze normy unijne dotyczące emisji zanieczyszczeń z silników spalinowych o zapłonie iskrowym o mocy poniżej 19 kW, przeznaczonych do stosowania w niedrogowych maszynach ruchomych, przyjęto w 2002 roku. Etapy I i II wprowadzono zgodnie z dyrektywą 2002/88/WE, która zastąpiła dyrektywę 97/68/WE. W dyrektywie z 2002 roku podano normy emisji związków toksycznych z silników spalinowych klasy S o zapłonie iskrowym małej mocy (poniżej 19 kW) o zastosowaniach niedrogowych w maszynach ruchomych. Wprowadzono również podział na silniki przeznaczone do maszyn „trzymanych w ręku” (H) oraz silniki przezna- czone do maszyn „nietrzymanych w ręku” (N) (tabela 2.1).
Tabela 2.1 Silniki o zapłonie iskrowym zaliczane do klasy S (silniki o mocy netto do 19 kW)
[Journal of Laws from 2014, No. 0, item 588]
Klasa Objętość skokowa silnika [cm3] silniki przeznaczone do maszyn „trzymanych w ręku”
SH:1 < 20
SH:2 20
< 50
SH:3 50
silniki przeznaczone do maszyn „nietrzymanych w ręku”
SN:1 < 66
SN:2 66
< 100
SN:3 100
< 225
SN:4 225
Limity emisji obowiązujące na etapie I podano w tabeli 2.2, a obowiązujące na etapie II w tabeli 2.3.
Standardy te mają zastosowanie w odniesieniu do silników o zapłonie iskrowym, o mocy netto poni- żej 19 kW (klasa S). Niezależnie od definicji silnika dwusuwowego przeznaczonego do maszyn trzymanych w rękach na etapach I oraz II silniki stosowane w odśnieżarkach mechanicznych muszą jedynie spełniać limity emisyjne dla silników klasy: SH:1, SH:2 lub SH:3 [DieselNet].
Tabela 2.2
14
Limity emisji związków toksycznych spalin etapu I w Europie w przypadku silników o zapłonie iskrowym, o mocy poniżej 19 kW, przeznaczonych do niedrogowych maszyn ruchomych oraz data ich wprowadze- nia [DieselNet, Directive 97/68/WE; Directive 2001/63/WE; Directive 2002/88 /WE; Directive 2004/26/WE;
Directive 2010/26/UE; Directive 2011/88/UE; Directive 2012/46/UE]
Tabela 2.3 Limity emisji związków toksycznych spalin etapu II w Europie w przypadku silników o zapłonie iskrowym,
o mocy poniżej 19 kW, przeznaczonych do niedrogowych maszyn ruchomych oraz data ich wprowadzenia [DieselNet, Directive 97/68/WE; Directive 2001/63/WE; Directive 2002/88 /WE; Directive 2004/26/WE;
Directive 2010/26/UE; Directive 2011/88/UE; Directive 2012/46/UE]
Kolejnym aktem prawnym dotyczącym emisji zanieczyszczeń z pojazdów niedrogowych jest dy- rektywa 2004/26/EC z roku 2004. Na jej podstawie kolejne limity emisji związków toksycznych wprowadzono w dwóch etapach: III i IV (Stage III i Stage IV) w latach 2006 – 2014. Dodatkowo etap III został podzielony na etapy: IIIA i IIIB. W etapie IIIB wprowadzono bardzo rygorystyczne limity dla emisji tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych (PM); emisja cząstek stałych została zmniej- szona o 90% w stosunku do etapu II. W roku 2005 opracowano i przyjęto, dyrektywę 2005/13/EC, dotyczącą silników pojazdów stosowanych w rolnictwie i leśnictwie. W 2010 roku przyjęto dwie następujące dyrektywy: 2010/26/UE, zawierającą dalsze szczegóły techniczne dotyczące testowania i homologacji silników w etapach IIIB i IV, oraz 2010/22/UE zmieniającą wcześniejsze przepisy dotyczące pojazdów stosowanych w rolnictwie i leśnictwie. Przepisy stosowane w etapach III i IV nie odnosiły się do silników spalinowych o zapłonie iskrowym, o mocy netto nie większej niż 19 kW.
W 2016 roku przyjęto standardy etapu V (Stage V), które zaczną obowiązywać od 2019 roku.
Polegają one na zaostrzeniu przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń oraz rozszerzono klasy silników o zapłonie iskrowym. W etapie V wprowadzania przepisów dotyczących emisji zanieczysz-
Klasa Data wprowadzenia
Tlenki węgla (CO)
Węglowodory (HC)
Tlenki azotu (NOx)
Suma węglowodorów i tlenków azotu
(HC + NOx) [g/kWh]
silniki przeznaczone do maszyn „trzymanych w ręku”
SH:1
2004
805 295 5,36 –
SH:2 805 241 5,36 –
SH:3 603 161 5,36 –
silniki przeznaczone do maszyn „nietrzymanych w ręku”
SN:1
2004
519 – – 50
SN:2 519 – – 40
SN:3 519 – – 16,1
SN:4 519 – – 13,4
Klasa Data wprowadzenia
Tlenki węgla (CO)
Węglowodory (HC)
Tlenki azotu (NOx)
Suma węglowodorów i tlenków azotu
(HC+NOx)*
[g/kWh]
silniki przeznaczone do maszyn „trzymanych w ręku”
SH:1
2007 805 – – 50
SH:2 805 – – 50
SH:3 2008 603 – – 72
silniki przeznaczone do maszyn „nietrzymanych w ręku”
SN:1
2004 610 – – 50
SN:2 610 – – 40
SN:3 2007 610 – – 16,1
SN:4 2006 610 – – 12,1
* Dodatkowo, NOx dla wszystkich klas silników nie może przekraczać 10 g / kWh
15 czeń zaostrzono standardy emisji dla istniejących klas silników oraz rozszerzono liczbę klas silni- ków, uwzględniając silniki nieujęte we wcześniejszych regulacjach. Należy tu wymienić klasę NRSh (silniki o zapłonie iskrowym o mocy poniżej 19 kW wyłącznie do stosowania ręcznego (tabela 2.4)), klasę NRS (silniki o zapłonie iskrowym o mocy poniżej 56 kW, które nie zostały ujęte w kategorii NRSh (tabela 2.5)), kategorię SMB (silniki ZI stosowane w skuterach śnieżnych) oraz kategorię ATS (silniki ZI stosowane w pojazdach terenowych „all terrain” oraz pojazdach „side-by-side”. Silniki o mocy powyżej 56 kW muszą spełniać normy emisji spalin dla silników kategorii NRE. W kategorii tej zawierają się wszystkie typy silników o mocy powyżej 56 kW, zarówno ZI, jak i ZS [Regulation 2016/1628/UE]. Wprowadzone na etapie V limity emisji dla silników o zapłonie iskrowym, o mocy poniżej 19 kW, przeznaczonych do urządzeń trzymanych w rękach oraz silników o zapłonie iskro- wym, o mocy do 56 kW, przeznaczonych do urządzeń nie trzymanych w rękach podano w tabeli 2.6.
Limity emisji związków toksycznych przyjęte na etapie V dla silników o zapłonie iskrowym, prze- znaczonych do napędów pojazdów śnieżnych (SMB-v-1) oraz wszystkich pojazdów terenowych
„all terrain” oraz pojazdów „side-by-side” (ATS-v-1) przedstawiono w tabeli 2.7. Na etapie V emisja jest mierzona w różnych cyklach testowych w zależności od warunków pracy maszyny [DieselNet, Regulation 2016/1628/UE].
Tabela 2.4 Etap V – podział silników o zapłonie iskrowym, zaliczanych do klasy S, o mocy netto do 19 kW przeznaczo-
nych do urządzeń trzymanych w rękach [DieselNet, Regulation 2016/1628/UE]
Klasa Objętość skokowa silnika [cm3]
NRSh-v-1a < 50
NRSh-v-1b 50
Tabela 2.5 Etap V – podział silników o zapłonie iskrowym, zaliczanych do klasy S, o mocy netto do 56 kW przeznaczo-
nych do urządzeń nietrzymanych w rękach [DieselNet, Regulation 2016/1628/UE]
Klasa Objętość skokowa silnika [cm3] Moc [kW] Prędkość obrotowa [obr/min]
NRSh-vr-1a 80
< 225
<19
zmienna (≥ 3 600) lub stała
NRSh-vr-1b 255
NRSh-vi-1a 80
< 225 zmienna (< 3 600)
NRSh-vi-1b 255
NRS-v-2a 1000 19
>30
zmienna lub stała
NRS-v-2b >1000
NRS-v-3 każdy 30
>56
16
Tabela 2.6 Etap V – limity emisji związków toksycznych spalin z silników o zapłonie iskrowym, o mocy poniżej 19 kW przeznaczonych do maszyn „trzymanych w rękach” oraz o mocy do 56 kW przeznaczonych do maszyn „nie-
trzymanych w rękach” stosowanych w niedrogowych maszyn ruchomych oraz data ich wprowadzenia [DieselNet, Regulation 2016/1628/UE]
Klasa Data wprowadzenia Tlenek węgla (CO) Suma węglowodorów i tlenków azotu (HC + NOx)*
[g/kWh]
silniki przeznaczone do maszyn „trzymane w rękach”
NRSh-v-1a
2019 805 50
NRSh-v-1b 603 72
silniki przeznaczone do maszyn „nietrzymane w rękach”
NRS-vr/vi-1a
2019
610 10
NRS-vr/vi-1b 610 8
NRS-v-2a 610 8
NRS-v-2b 4,40* 2,70*
NRS-v-3 4,40* 2,70*
*Lub dowolna kombinacja wartości spełniających równanie (HC+NOx)·CO0,784 8.57, warunek CO 20,6 g/kWh oraz (HC+NOx) 2.7 g/kWh
Tabela 2.7 Etap V – limity emisji związków toksycznych z silników o zapłonie iskrowym przeznaczonych do napędów
pojazdów śnieżnych (SMB-v-1) i wszystkich pojazdów terenowych (ATS-v-1) oraz data wprowadzenia kategorii [DieselNet, Regulation 2016/1628/UE]
Klasa Data wprowadzenia Moc Tlenki węgla (CO) Suma węglowodorów i tlenków azotu
(HC + NOx)
[kW] [g/kWh]
SMB-v-1 2019 >0 275 75
ATS-v-1 2019 >0 400 8
W najbliższych latach ustawodawstwo dotyczące etapu V zobowiązuje Komisję Europejską do przedstawienia dwóch sprawozdań w sprawie przyszłych przepisów regulujących emisję spalin.
Pierwsze z nich (sporządzone do końca 2018 roku) ma zawierać ocenę możliwości instalacji dodat- kowych urządzeń do kontroli emisji w używanych silnikach o zastosowaniach w pojazdach pozadro- gowych. Drugie przedstawione do końca 2020 roku będzie zawierać prognozę dalszej redukcji emisji zanieczyszczeń oraz wskazanie tych rodzajów zanieczyszczeń, które nie są objęte zakresem rozpo- rządzenia dotyczącego etapu V [DieselNet].
Oprócz przepisów obowiązujących na terenie całej Unii Europejskiej niektóre kraje wprowadziły dodatkowe regulacje prawne, dotyczące emisji z pojazdów o zastosowaniach pozadrogowych będące narzędziem wspomagającym ochronę środowiska. Przykładem takiego podejścia są strefy niskoemisyj- ne LEZ (ang.: low-emission zone) – obszary, gdzie eksploatacja pojazdów zanieczyszczających środo- wisko jest ograniczana lub faworyzowane są pojazdy napędzane paliwami alternatywnymi, pojazdy hybrydowe i pojazdy elektryczne. W Europie w 2015 roku znajdowało się ponad 200 stref tego typu [Cruz i Montenon, 2016]. W Szwecji w roku 1996 największe miasta wdrożyły program „Environmen- tal Zones”, którego głównym założeniem była poprawa jakości powietrza, przez ograniczenie ruchu pojazdów ciężarowych typu HDV ( ang.: heavy duty vehicles) w centrach miast. W roku 1999 wpro- wadzono podobny program, w odniesieniu do pojazdów o zastosowaniach pozadrogowych. Według przyjętego projektu wszystkie silniki, które nie spełniają norm europejskich lub amerykańskich (Sta-
17 ge I/Tier 1), po 8 latach eksploatacji muszą być wyposażone w reaktor katalityczny, a w określonych przypadkach także w filtr cząstek stałych DPF (ang.: diesel particulate filter) [Merkisz i Walasik, 2006]. W Szwajcarii podobnie jak w Szwecji, jednym z podstawowych działań jest wyposażanie silników ZS w filtry cząstek stałych. W roku 2000, wprowadzono obowiązek montowania filtrów cząstek stałych w maszynach pracujących na budowach podziemnych (tunele, parkingi itp.), a od roku 2002 – we wszystkich maszyn pracujących na dużych budowach [Merkisz i Walasik, 2006].
W państwach Unii Europejskiej obowiązują testy homologacyjne siników spalinowych przezna- czonych do napędu pozadrogowych maszyn ruchomych ukierunkowane na emisję toksycznych związków gazów spalinowych. Opracowana przez International Standard Organization ISO norma ISO 8178 składa się z 10 części [ISO 8178-3 (1994); ISO 8178-6 (2000); ISO 8178-10 (2002); ISO 8178-11 (2006); ISO 8178-2 (2008); ISO 8178-9 (2012); ISO 8178-5 (2015); ISO 8178-7 (2015);
ISO 8178-8 (2015); ISO 8178-1 (2017); ISO 8178-4 (2017)].
Procedura testowa może być wykonywana w dwóch cyklach: w cyklu stacjonarnym dla maszyn niedrogowych NRSC (ang.: non-road stationary cycle) oraz w cyklu niestacjonarnym dla maszyn niedrogowych NRTC (ang.: non-road transient cycle). Dodatkowo w zależności od rodzaju urządze- nia, napędzającego silnik, warunków eksploatacji lub grupy i rodziny silników testy są wykonywane w określonych cyklach testowych różniących się warunkami eksploatacji i liczbą faz badawczych.
Na podstawie testów wyznacza się średnią emisję poszczególnych toksycznych składników spalin, i w zależności od zastosowania badanego silnika dobierane są charakterystyczne współczynniki ich udziału w każdej fazie testu. Rodzaje testów w zależności od kategorii grupy silników, dla silników kategorii: NRSh, NRS, SMB i ATS przedstawiono w tabeli 2.8.
Tabela 2.8 Testy NRSC dla silników kategorii NRSh, NRS, SMB i ATS [Journal of Laws from 2014, No. 0, item 588]
Niedrogowych maszyn ruchomych, z silnikami o zapłonie iskrowymi o mocy netto nie większej niż 19 kW bada się w określonych cyklach testowych w zależności od zastosowania i warunków eksploatacji. W zależności od rodzaju napędzanej maszyny następujące cykle pomiarowe silnika sprzęgniętego z hamulcem:
cykl D (identyczny z cyklem D2 wg normy ISO 8168-4: 1996(E)): silniki pracujące przy sta- łej prędkości obrotowej i różnym obciążeniu – jak w generatorach prądotwórczych,
Klasa NRSC
NRSh-v-1a NRSh-v-1b G3 NRS-vi-1a NRS-vi-1b G1 NRS-vr-1a
G2 NRS-vr-1b
NRS-v-2a
NRS-v-2b C2
NRS-v-3 C2
SMB-v-1 H
ATS-v-1 G1
18
cykl G1: silniki zamontowane w maszynach „nietrzymanych w ręku” pracujące przy zmien- nej prędkości obrotowej,
cykl G2: silniki zamontowane w maszynach „nietrzymane w ręku” o znamionowej prędkości obrotowej,
cykl G3: silniki zamontowane w maszynach „trzymanych w ręku”.
Przykładowe fazy testu oraz współczynniki wagowe przedstawiono w tabeli 2.9, gdzie znamio- nowa prędkość obrotowa jest maksymalną prędkością obrotową przy pełnym obciążeniu, ograniczo- ną przez regulator zgodnie z danymi producenta, a wskazywana pośrednia prędkość obrotowa to prędkość obrotowa silnika, przy zachowaniu następujących warunków:
w przypadku silników przeznaczonych do pracy w zakresie prędkości obrotowej na krzywej momentu przy pełnym obciążeniu jako pośrednia prędkość obrotowa powinna być przyjęta deklaro- wana prędkość obrotowa momentu maksymalnego, jeżeli jego wartość mieści się w zakresie 60% 75% znamionowej prędkości obrotowej,
jeżeli deklarowana prędkość obrotowa momentu maksymalnego jest mniejsza niż 60% zna- mionowej prędkości obrotowej, to prędkość obrotowa pośrednia powinna wynosić 60% znamiono- wej prędkości obrotowej,
jeżeli deklarowana prędkość obrotowa momentu maksymalnego jest większa niż 75% zna- mionowej prędkości obrotowej, to wówczas prędkość obrotowa pośrednia powinna wynosić 75%
znamionowej prędkości obrotowej,
w przypadku silników przeznaczonych do badania według cyklu G1 prędkość obrotowa po- winna wynosić 85% znamionowej prędkości obrotowej.
Wybór odpowiedniego cyklu testu jest możliwy, jeżeli znane jest ostatnie zastosowanie modelu silnika. Jeżeli ostatnie zastosowanie silnika jest nieznane, to odpowiedni cykl testu powinien zostać dobrany na podstawie danych technicznych silnika. Do wyboru są następujące cykle testowe:
cykl D: agregaty prądotwórcze pracujące ze zmiennym obciążeniem, w tym agregaty prądo- twórcze na statkach i w pociągach (nie do napędu), zespoły chłodzące, zestawy spawalnicze lub zgrzewalnicze, sprężarki gazowe;
cykl G1: silniki do kosiarek trawnikowych, wózki golfowe, zamiatarki trawników, wirniko- we lub cylindryczne kosiarki trawnikowe sterowane nogą, wyposażenie do usuwania śniegu, wypo- sażenie do usuwania odpadków;
cykl G2: przenośne agregaty prądotwórcze, przenośne pompy, przenośne spawarki, zgrze- warki i sprężarki powietrza; można także włączyć wyposażenie do pielęgnacji trawników i ogrodów, które pracuje przy znamionowej prędkości obrotowej.
cykl G3: dmuchawy, piły łańcuchowe, przycinarki żywopłotów, wirnikowe maszyny do uprawy roli, opryskiwacze, przycinarki strunowe.
Na podstawie obowiązujących przepisów homologacyjnych dotyczących silników spalinowych niedrogowych maszyn ruchomych podczas testów badawczych są odwzorowywane rzeczywiste wa- runki ich pracy. Badania prowadzone w 2017 roku przez Lijewskiego i in. wskazują, że zmierzone w rzeczywistych warunkach pracy emisje HC i CO generowane przez wybrane niedrogowe maszyny ruchome wyposażone w silnik spalinowy o zapłonie iskrowym są większe od dopuszczalnych.
19 Tabela 2.9 Fazy cykli testowych D, G1, G2 i G3 oraz stosowane współczynniki wagowe
[Journal of Laws from 2014, No. 0, item 588]
Cykl D
Numer fazy 1 2 3 4 5 – – – – –
Prędkość obrotowa silnika
znamionowa prędkość obrotowa pośrednia prędkość obrotowa prędkość obrotowa biegu jałowego Obciążenie*
[%] 100 75 50 25 10 – – – – – –
Współczynnik
wagowy 0,05 0,25 0,3 0,3 0,1 – – – – – –
Cykl G1
Numer fazy – – – – – 1 2 3 4 5 6
Prędkość obrotowa silnika
znamionowa prędkość obrotowa pośrednia prędkość obrotowa prędkość obrotowa biegu jałowego Obciążenie
[%] – – – – – 100 75 50 25 10 0
Współczynnik
wagowy – – – – – 0,09 0,2 0,29 0,3 0,07 0,05
Cykl G2
Numer fazy 1 2 3 4 5 – – – – – 6
Prędkość obrotowa silnika
znamionowa prędkość obrotowa pośrednia prędkość obrotowa prędkość obrotowa biegu jałowego
Obciążenie[%] 100 75 50 25 10 – – – – – 0
Współczynnik
wagowy 0,09 0,2 0,29 0,3 0,07 – – – – – 0,05
Cykl G3
Numer fazy 1 – – – – – – – – – 2
Prędkość obrotowa silnika
znamionowa prędkość obrotowa pośrednia prędkość obrotowa prędkość obrotowa biegu jałowego
Obciążenie[%] 100 – – – – – – – – – 0
Współczynnik
wagowy 0,85** – – – – – – – – – 0,15**
* Wartości obciążenia są wyrażone jako procentowe wartości momentu obrotowego odpowiadającego podstawowej wartości mocy zdefiniowanej jako największa moc uzyskana podczas zmiennej sekwencji mocy, która może być odbierana przez nielimitowaną liczbę godzin w ciągu roku między podanymi okresami obsługowymi i w podanych warunkach otoczenia; czynności obsługowe przeprowadzane są według wskazań wytwórcy.
** Dla etapu I można przyjąć odpowiednio 0,90 i 0,10 zamiast 0,85 i 0,15.
Wynika to stąd, że warunki eksploatacji silnika, różnią się od warunków przyjętych podczas wskaza- nych w normach testów homologacyjnych. Dodatkowo autorzy sugerują, że stosowana przez nich metoda badawcza oraz aparatura PEMS (ang.: portable emission measurement system) powinny zostać w przyszłości włączone do procedury homologacyjnej [Lijewski i in., 2017]. Podstawową zaletą takich badań jest odwzorowanie wszystkich warunków pracy i parametrów silnika spalinowe- go, które są trudne do odtworzenia w warunkach laboratoryjnych.
Obecne europejskie regulacje prawne w zakresie badań emisji toksycznych związków zawartych w gazach spalinowych nie nakładają na producentów i użytkowników pojazdów obowiązku poddania eksploatowanych maszyn badaniom kontrolnym pod kątem emisji. Pomimo znacznych wysiłków na etapie projektowania i produkcji emisja spalin z silnika może znacząco wzrosnąć w czasie eksploata- cji wskutek zużycia elementów lub ich awarii. Dlatego uzasadnione wydaje się wprowadzenie proce- dur kontrolnych umożliwiających wykrycie zwiększonej emisji z eksploatowanego silnika. Wymaga
20
to opracowania metodyki badań oraz wprowadzenia odpowiednich przepisów prawnych. Dodatkowo w przypadku pojazdów o zastosowaniach pozadrogowych, ze względu na specyficzne warunki pracy, silnik i jego elementy są narażone na częste uszkodzenia. Brak stosowania procedur kontrolnych w przypadku pojazdów eksploatowanych powoduje, że emisja związków toksycznych z tych silni- ków jest w dużym stopniu niekontrolowana [Merkisz i in., 2010].
Przepisy wprowadzane przez parlament europejski odgrywają decydującą rolę w opracowywaniu progresywnej polityki środowiskowej służącej minimalizacji zanieczyszczeń powietrza w Europie.
Przepisy oraz metody badawcze stosowane w celu ograniczania zanieczyszczeń powietrza genero- wanych przez silniki powinny uniemożliwić występowanie takich sytuacji, jak rozbieżność między emisją rzeczywistą, a emisją testową w przypadku samochodów z silnikiem wysokoprężnym spełnia- jących normy Euro 6. Przykładem jest tu wykryte oprogramowanie fałszujące wyniki badań emisji NOx stosowane w pojazdach Volkswagen Group [Ohliger, 2017].
Z dokonanego przeglądu literatury i aktów prawnych wynika, że podjęcie tematyki ograniczenia emisji przez maszyny rozdrabniające jest istotne ze względu na zanieczyszczenia lokalne i globalne.
Można jednoznacznie stwierdzić, że jedynym niezawodnym narzędziem ograniczającym emisję związków toksycznych są rozwiązania inżynierskie modernizujące napędy tych urządzeń. Jednak ze względu na większy koszt tych rozwiązań jednym z głównych warunków wprowadzenia ich do gospodarki będą bardziej rygorystyczne przepisy homologacyjne. Takie podejście było skuteczne w przypadku pojazdów samochodowych. Metody sterowania ograniczające zużycie paliwa wpływają- ce na warunki eksploatacji napędu będą podlegały testom badawczym, które są zależne od warunków eksploatacji. Stąd opracowane systemy nisko emisyjne będą wymagały badań procentowego udziału warunków eksploatacji w całym cyklu pracy maszyny. Należy przeprowadzić analizę przepisów homo- logacyjnych dotyczących napędów maszyn niedrogowych w kontekście przepisów dotyczących pojaz- dów samochodowych, zapewniających najwyższe standardy w zakresie emisji zanieczyszczeń genero- wanych przez jednostki napędowe. Będzie to wytyczną do określenia kierunku poszukiwania innowa- cyjnych rozwiązań inżynierskich stosowanych w sterowaniu jednostkami napędowymi.
2.2. Analiza homologacyjnych aktów prawnych dotyczących napędów niedrogowych maszyn ruchomych
Przepisy dotyczące homologacji silników spalinowych o zastosowaniach drogowych zaczęto wprowadzać w latach 90. ubiegłego wieku. Współcześnie przepisy w zakresie emisyjności tej grupy silników są znacznie bardziej restrykcyjne niż w przypadku silników niedrogowych maszyn rucho- mych. Ma to wpływ na konstrukcję układów zasilania i sterowania stosowanych w silnikach spali- nowych. Niedrogowe maszyny ruchome są zasilane głównie benzyną lub olejem napędowym. Pro- ducenci czołowych marek wprowadzają ponadto silniki zasilane paliwami alternatywnymi np. LPG, CNG, naftą lub biopaliwami. Rozwiązania mające na celu ograniczenie emisji zanieczyszczeń z tych silników są zwykle przejmowane z silników pojazdów drogowych z kilku- lub kilkunastoletnim opóźnieniem. W tym rozdziale przedstawiono analizę porównawczą przepisów dotyczących pojaz- dów osobowych i maszyn pozadrogowych, wskazując kierunek poszukiwania innowacyjnych roz- wiązań konstrukcyjnych ograniczających emisyjność napędów maszyn niedrogowych.
21 Tabela 2.10 Dopuszczalne europejskie limity emisji związków szkodliwych z pojazdów osobowych i lekkich pojazdów do przewozu ładunków z silnikiem o zapłonie iskrowym oraz daty ich wprowadzenia [Lindqvist, 2012; Gołę-
biowski, 2013; Delphi, 2017; Council Directive 91/441/EEC; Council Directive 93/59/EEC; Directive 94/12/WE; Directive 96/69/WE; Directive 98/69/WE; Directive 2002/80/WE; Regulation 2007/715/WE]
pojazdy samochodowe (klasy M1*)
Euro data wprowadzenia CO HC HC+NOx NOx PM PN
g/km #/km
I 1992 2,72
(3,16) – 0,97
(1,13) – – –
II 1996 2,20 – 0,5 – – –
III 2000 2,30 0,20 – 0,15 – –
IV 2005 1,0 0,10 – 0,08 – –
V 2009a 1,0 0,10b – 0,06 0,005c,d –
VI 2014 1,0 0,10b – 0,06 0,005c,d 6,0 1011 c,e
lekkie pojazdy dostawcze, klasa I, 1305 kg (klasa N1)
I 1994 2,72 – 0,97 – – –
II 1998 2,2 – 0,50 – – –
III 2000 2,3 0,20 – 0,15 – –
IV 2005 1,0 0,10 – 0,08 – –
V 2009a 1,0 0,10b – 0,06 0,005c,d –
VI 2014 1,0 0,10b – 0,06 0,005c,d 6,0 1011c,e
lekkie pojazdy dostawcze, klasa II, 1305-1760 kg (klasa N1)
I 1994 5,17 – 1,40 – – –
II 1998 4,0 – 0,65 – – –
III 2001 4,17 0,25 – 0,18 – –
IV 2006 1,81 0,13 – 0,10 – –
V 2010g 1,81 0,13h – 0,075 0,005c,d –
VI 2015 1,81 0,13h – 0,075 0,005c,d 6,0 1011c,e
lekkie pojazdy dostawcze, klasa III, 1760 kg (klasa N1)
I 1994 6,90 – 1,70 – – –
II 1998 5,0 – 0,80 – – –
III 2001 5,22 0,29 – 0,21 – –
IV 2006 2,27 0,16 – 0,11 – –
V 2010g 2,27 0,16h – 0,082 0,005c,d –
VI 2015 2,27 0,16h – 0,082 0,005c,d 6,0 1011c,e
lekkie pojazdy dostawcze (klasy N2)
V 2010g 2,27 0,16h – 0,082 0,005c,d –
VI 2015 2,27 0,16h – 0,082 0,005c,d 6,0 1011c,e
* W normach Euro 1-4 samochody osobowe o masie większej niż 2500 kg zostały homologowane jako pojazdy kategorii N1.
a 2011 dla wszystkich modeli.
b i NMHC = 0,068 g/km.
c Dotyczy tylko pojazdów z silnikami DI.
d 0,0045 g/km za pomocą procedury pomiarowej PMP.
e 6,0×1012 1/km w ciągu pierwszych trzech lat od daty wejścia w życie normy Euro 6.
f i NMHC = 0,090 g/km.
g 2012.01 dla wszystkich modeli.
h i NMHC = 0,108 g/km.
