Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak
Andrzej Ziókowski, Micha Dobrzyski
Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
BADANIA UKADÓW OGRZEWANIA
AUTOBUSÓW MIEJSKICH W KOMORZE
KLIMATYCZNEJ
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: W artykule przedstawiono wpyw zastosowania ukadów ogrzewania postojowego na
energochonno autobusu miejskiego. Pomiary zrealizowano w dwóch seriach, w których ocenie poddano piec spalinowy oraz piec elektryczny. Ukady ogrzewania montowano w poje dzie wyposa onym w hybrydowy ukad napdowy w konfiguracji szeregowej. Badania przeprowadzono w komorze klimatycznej, która zapewniaa waciwe kondycjonowanie autobusu i ustalenie takich samych warunków pocztkowych. Wpyw na energochonno pojazdu poszczególnych ukadów wyznaczono na podstawie zu ycia paliwa obliczonego metod carbon balance. Pomiary emisyjnoci autobusu zrealizowano za pomoc mobilnego przyrzdu SEMTECH DS, klasyfikowanego jako urzdzenie nale ce do grupy PEMS (Portable Emissions Measurement Systems). Ponadto wykorzystano sond masowego nat enia przepywu spalin oraz ukad czujników termorezystancyjnych dla okrelenia rozkadu temperatur wewntrz pojazdu.
Sowa kluczowe: ekologia, emisja spalin, ogrzewanie postojowe
1. WSTP
Stosowanie ukadu ogrzewania w autobusie miejskim ma przede wszystkim na celu zapewnienie komfortu podró y pasa erom oraz kierowcy podczas pracy. Ponadto system ogrzewania korzystnie wpywa na bezpieczestwo, poniewa jego wykorzystanie zapewnia zmniejszenie wilgotnoci wewntrz pojazdu, która mo e niekorzystnie wpywa na widoczno (wystpowanie pary wodnej na powierzchni szyb) [1]. Waciwe warunki pracy kierowcy maj du y wpyw na jego sprawno psychofizyczn.
Pojazdy komunikacji miejskiej s obecnie powszechnie wyposa ane w ukady ogrzewania postojowego. Równie w przypadku samochodów osobowych wy szej klasy pojawiaj si tego typu rozwizania w standardowym wyposa eniu. Obecnie obserwuje si zwikszenie iloci osób podró ujcych komunikacj miejsk [6]. Przecitna podro autobusem miejskim mieci si w przedziale od kilku do kilkunastu minut, w czasie której
pojazd jest kilkukrotnie wietrzony podczas obsugi przystanków, kiedy nastpuje wymiana pasa erów. Z tego powodu bardzo istotne jest, aby ukady ogrzewania charakteryzoway si wysok sprawnoci, szczególnie przy bardzo niskich temperaturach otoczenia. Regulacja ukadu ogrzewania musi obejmowa temperatur oraz kierunek i si nadmuchu [7]. Temperatura powietrza w poje dzie powinna by ni sza na wysokoci gowy ni przy pododze. Ma to bezporedni wpyw na pasa erów i kierowc, poniewa taki ukad zapobiega powstawaniu uczucia sennoci oraz zmczenia.
Oprócz zalet stosowania ukadu ogrzewania w autobusie miejskim mo na wyró ni tak e pewne wady. Dotycz one gównie kosztów zwizanych z ich obsug (konserwacj) i eksploatacj. Wczenie ukadu powoduje uruchomienie pieca, który pobiera dodatkow ilo paliwa w przypadku pieca spalinowego lub dodatkow energi elektryczn z zasobników energii bd alternatora, kiedy wykorzystywany jest piec elektryczny. W celu uzyskania jak najmniejszej energochonnoci systemu ogrzewania nale y dobiera poszczególne elementy ukadu zgodnie z charakterystyk i przeznaczeniem danego autobusu. Takie postpowanie korzystnie wpywa na ekologiczno pojazdu, co wpisuje si w polityk Unii Europejskiej dotyczc zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych [2].
2. METODYKA BADA
2.1. OBIEKT BADA
Obiektami badawczymi byy dwa piece ogrzewania postojowego stosowane w autobusach miejskich. W pierwszej kolejnoci pomiary wykonano dla konwencjonalnego pieca spalinowego o mocy grzewczej 30 kW. W drugiej serii pomiarowej wykorzystano piec elektryczny, który przeznaczony jest do stosowania w pojazdach wykorzystujcych napd elektryczny, hybrydowy lub wodorowy. Rozwizanie to charakteryzuje si wysok wydajnoci, zerow emisj spalin oraz niskim poziomem emisji haasu. W celu wyznaczenia bilansu energetycznego obu rozwiza przeprowadzono badania emisyjnoci oraz zu ycia paliwa w dwóch cyklach na tym samym autobusie komunikacji miejskiej o dugoci 18 m.
Pojazd wykorzystany do bada wyposa ony jest w napd hybrydowy w konfiguracji szeregowej. Gównymi elementami ukadu napdowego s baterie litowo-fosforowe, zespó superkondensatorów, silnik trakcyjny o mocy 240 kW oraz jednostka spalinowa o mocy 209 kW speniajc norm EEV. Cay system mo e dziaa w trybie hybrydowym bez koniecznoci dostarczania energii z zewntrz, jednak zaimplementowany w ukadzie jest tak e system zewntrznego adowania baterii. Zcze typu „plug-in” o dopuszczalnym prdzie adowania 63 A pozwala uzupenia energi w czasie postoju pojazdu.
2.2. APARATURA BADAWCZA I WARUNKI
PRZEPROWADZANIA POMIARÓW
Pomiary emisji CO, CO2 oraz HC zrealizowano za pomoc mobilnego przyrzdu
SEMTECH DS firmy Sensors Inc (rys. 1a, tab. 1). Urzdzenie klasyfikowane jest jako narzdzie do pomiarów emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji, a wic zaliczane jest do grupy PEMS (Portable Emissions Measurement System). W przyrzdzie zastosowano szereg analizatorów, które wyznaczaj st enie poszczególnych zwizków szkodliwych w próbce gazów wylotowych [5]:
x CO2 i CO – analizator NDIR (Non-Dispersive Infrared) wykorzystuje metod
niedyspersyjn oraz promieniowanie podczerwone;
x HC – analizator FID (Flame Ionization Detector) wykorzystuje metod jonizacji pomienia.
Ponadto w przyrzdzie zaimplementowane s analizatory su ce do pomiaru NOx oraz
okrelenia zawartoci O2 w gazach wylotowych. Uzyskane wartoci emisji poszczególnych
zwizków szkodliwych mog by poddawane korekcji obejmujcej wpyw warunków otoczenia, poniewa urzdzenie ma doczan stacj meteorologiczn umo liwiajc pomiar cinienia, temperatury oraz wilgotnoci powietrza. Rejestrowane dane uzupenione zostay o parametry generowane przez pokadowy system diagnostyczny, z którego odczytywane byy informacje w czasie pomiarów emisji. Nat enie przepywu gazów wylotowych mierzone byo sond o rednicy 4” z wbudowan rurk Pitota (rys. 1b) [3, 5].
Ukady wylotowe jednostki napdowej i pieca spalinowego poczono w celu jednoczesnego pomiaru emisji szkodliwych i toksycznych skadników spalin. Ponadto przewód transportujcy gazy wylotowe z ukadu ogrzewania odizolowano termicznie, dziki czemu nie wystpiy zjawiska skraplania HC i kondensacji spalin.
Tablica 1 Dane techniczne mobilnego przyrzdu SEMTECH DS [5]
Parametr Metoda pomiaru Dokadno
St enie zwizków:
HC NDIR – niedyspersyjna, zakres 0-10% ±3% CO FID – pomieniowo-jonizacyjna, zakres 0-10 000 ppm ±2,5% CO2 NDIR – niedyspersyjna (podczerwie), zakres 0-20 % ±3% O2 elektrochemiczna, zakres 0-20 % ±1% Próbkowanie 1-4 Hz
Przepyw spalin masowe nat enie przepywu Tmax do 700oC ±2,5% ±1% zak. Obsugiwane systemy diagnostyczne SAE J1850/SAE J1979 (LDV) SAE J1708/SAE J1587 (HDV) CAN SAE J1939/J2284 (HDV)
a) b)
Rys. 1. Widok aparatury do bada emisji: a) mobilny przyrzd SEMTECH DS zainstalowany w autobusie, b)widok ukadu poboru spalin
Temperatury wewntrz pojazdu mierzono za pomoc czujników termorezystancyjnych, których sygnay rejestrowane byy przez przetwornik IOTECH PERSONAL DAQ 3000 (rys. 2). Modu pomiarowy wyposa ony jest w interfejs USB oraz przetwornik A/C (1MHz/16bit). Informacje z poszczególnych torów pomiarowych przekazywane s do komputera, który zapisuje dane zgodnie z zadan czstotliwoci pomiaru.
Rys. 2. Rozmieszczenie czujników termorezystancyjnych w badanym poje dzie
Badania emisyjnoci autobusu wyposa onego w ró ne typy pieców ogrzewania postojowego, ich wpywu na energochonno caego pojazdu oraz rozkadu temperatur dokonano w komorze klimatycznej. Temperatura pocztkowa w ka dej serii pomiarowej wynosia -15°C. Przed rozpoczciem bada pojazd by kondycjonowany w tej temperaturze przez 12 godzin. Takie postpowanie wpyno korzystnie na powtarzalno warunków realizacji bada. W trakcie pomiarów pojazd pracowa na biegu jaowym, a jednostka spalinowa bya dodatkowo obci ona jedynie przez ukad ogrzewania. Wszystkie pozostae ukady i systemy byy wyczone. Widok pojazdu w komorze klimatycznej przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 3. Widok autobusu podczas bada w komorze klimatycznej
3. WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA
Na podstawie zarejestrowanych wartoci emisji sekundowej CO2, CO i HC wyznaczono
sekundowe zu ycie paliwa autobusu dla kolejnych cykli pomiarowych. W obliczeniach wykorzystano metod carbon ballance. W przypadku autobusu wyposa onego w piec elektryczny uzyskano wiksze zu ycie paliwa ni dla ukadu konwencjonalnego o 8,2 % (rys. 4). Jak wynika z przedstawionej charakterystyki dla rozwizania elektrycznego po 2500 s testu zaczy wystpowa cykliczne spadki/wzrosty sekundowego zu ycia paliwa w przedziale 0,5-2 g/s. Byo to bezporednio zwizane z charakterystyk pracy ukadu napdowego. Pobór mocy przez badany ukad by znaczny, w zwizku z czym konieczne byo doadowanie akumulatorów pojazdu. Na podstawie danych odczytanych z ukadu diagnostycznego autobusu stwierdzono, e praca silnika w tym przedziale czasowym charakteryzowaa si du ymi zmianami prdkoci obrotowej wau korbowego. Sumaryczne zu ycie paliwa jednostki spalinowej oraz pieca spalinowego w pocztkowej fazie testu osigno warto 2,71 g/s, nastpnie spadao i po okoo 1500 s testu osigno warto 1,48 g/s. Chwilowe okresy zwikszenia zu ycia paliwa wynikay z koniecznoci doadowania zasobników energii ukadu elektrycznego.
Rys. 4. Przebieg sekundowego zu ycia paliwa autobusu wyposa onego w ukad elektrycznego i spalinowy
Zmiany temperatur w szeciu punktach wewntrz pojazdu przedstawiono na rysunkach 5 i 6. Czas fazy nagrzewania do redniej temperatury 18°C by dla obu pieców zbli ony. Po nagrzaniu wntrza przeprowadzono procedur otwierania drzwi na czas 15 s. w 5-cio minutowych odstpach czasowych. Postpowanie takie miao na celu odzwierciedlenie pracy autobusu podczas obsugi przystanków. Dla 3 i 4 punktu pomiarowego zaobserwowano znaczce spadki temperatury podczas otwierania drzwi, które osigay warto do -5°C. Punkty te znajdoway si w wietle drzwi, przez co byy najbardziej nara one na dziaanie warunków zewntrznych. Jak wynika z przedstawionych charakterystyk na rys. 5, otwieranie drzwi nie miao znaczcego wpywu na zwikszenie sekundowego zu ycia paliwa.
Rys. 6. Rozkad temperatur wewntrz pojazdu wyposa onego w piec spalinowy
4. WNIOSKI
W celu okrelenia ró nic cakowitego zu ycia paliwa przez pojazd w obu seriach pomiarowych przyjto do porównania taki sam przedzia czasowy dla obu testów. Ukad napdowy wraz z piecem elektrycznym charakteryzowa si wy szym rednim sekundowym zu yciem paliwa. W przypadku temperatury pocztkowej -15°C, w której rozpoczto pomiar, wzgldna ró nica redniego sekundowego zu ycia paliwa wyniosa 8,2%. wiadczy to o du ym zapotrzebowaniu tego rozwizania na energi elektryczn, któr wytwarza jednostka spalinowa wspópracujca z prdnic. W ukadach wylotowych piców spalinowych najczciej nie wykorzystuje si ukadów oczyszczania spalin, co ma niekorzystny wpyw na rodowisko. Z tego powodu lepszym rozwizaniem jest u ycie ukadów elektrycznych, które pomimo wikszego zapotrzebowania energetycznego, nie emituj gazów wylotowych, w tym przede wszystkim toksycznych PM [4].
Na rynku pojawia si coraz wicej pojazdów wyposa onych w napdy hybrydowe. Konieczne jest wic rozwijanie systemów i ukadów funkcjonalnych wykorzystywanych w tego typu pojazdach. Najwaciwsze jest stosowanie rozwiza w peni elektrycznych, które nie obci aj w sposób bezporedni jednostki spalinowej. Konieczne jest jednak stosowanie najbardziej optymalnych i energooszczdnych konstrukcji, a tak e waciwe projektowanie gospodarki energetycznej danego pojazdu.
Bibliografia 1. Deh U.: Klimatyzacja w samochodzie, WKi, Warszawa 2008.
2. Gis W., Gis M.: Selected issues related to the reduction of the CO2 emission from combustion engines fitted in vehicles of the M and N categories; a 2012 update. Combustion Engines / Silniki Spalinowe nr 1/2012 (148), p. 53-61, (2012).
3. Merkisz J., Fuc P.: The Exhaust Emission from Light Duty Vehicles in Road Test in Urban Traffic. SAE Technical Paper Series 2010-01-1558, (2010).
4. Merkisz J., Fu P., Lijewski P.: The mass and size of PM measurement from HDV vehicles under real operating conditions. BAQ 2012, Better Air Quality Conference, 5-7 December 2012, Hong Kong. 5. Sensors Inc., Emissions measurement solutions. SEMTECH®-DS On Board In – Use Emissions
Analyzer, Erkrath 2010. 6. www.infobus.pl 7. www.rucker.pl
TESTS ON BUS HEATING SYSTEMS IN A CLIMATIC CHAMBER
Summary: The paper examines the influence of stationery heating systems in a city bus on the amount of
energy the vehicle consumes. The heating systems consisted of either a combustion furnace or an electric heater. The energy consumption was measured in two sequences. The heating systems were mounted in a city bus with a series hybrid transmission. The tests were carried out in a climatic chamber, which ensures appropriate conditioning and allows setting the same initial conditions. Bus’s energy consumption with respect to the type of heating system was estimated on the basis of fuel consumption and calculated with Carbon Balance method. Emission tests were carried out with one of PEMS (Portable Emissions Measurement Systems) analyzers. Moreover, an endoscope was applied to check mass exhaust flow as well as thermal resistantion in order to determine temperature propagation inside the bus.
