P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 98 Transport 2013

Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian �ab�d�

Politechnika Pozna�ska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu

Arkadiusz Stojecki

Instytut Bada� i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o. o.

BADANIA EMISJI SPALIN POJAZDÓW O RÓ�NEJ KLASIE EMISYJNEJ

ZASILANYCH GAZEM ZIEMNYM

R�kopis dostarczono, kwiecie� 2013

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki bada� drogowych emisji spalin pojazdów o rónej klasie emisyjnej zasilanych spr�onym gazem ziemnym w rónych warunkach ruchu. Badania emisji spalin wykonano podczas przejazdów wyznaczon� tras� pomiarow�, któr� podzielono na odcinki o rónej specyfice nat�enia ruchu drogowego. Dla kadego odcinka – etapu bada� wyznaczono charakterystyk� przejazdu oraz warto�ci emisji drogowej zwi�zków szkodliwych spalin dla pojazdów rónej klasy emisyjnej. Obiektami bada� by�y pojazdy o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 o zblionym przebiegu (75 000 km), nap�dzane spr�onym gazem ziemnym. Do pomiarów st�enia zwi�zków szkodliwych wykorzystano mobilny analizator typu PEMS (Portable Emission Measurement System) do bada� toksyczno�ci Semtech DS firmy Sensors. Dodatkowo wykorzystano dane przesy�ane z systemu diagnostycznego pojazdu oraz sygna�u lokalizacji GPS. Wyniki pos�uy�y do porównania pojazdów oraz okre�lenia wskaników emisyjno�ci, które wykorzystano do ekologicznej oceny obiektów bada� pod wzgl�dem emisji zwi�zków szkodliwych. S�owa kluczowe: emisja spalin, zasilanie gazem ziemnym, badania drogowe

1. WPROWADZENIE Obecnie zauwaalna jest wyrana tendencja globalnego traktowania zagroe�

�rodowiska ze strony motoryzacji. Przepisy zezwalaj�ce na dopuszczenie pojazdów do uytkowania, okresowe badania kontroli stanu technicznego oraz pozosta�e akty prawne, zwi�zane bezpo�rednio i po�rednio z produkcj�, uytkowaniem i zagospodarowaniem zuytych wytworów cywilizacji, traktuj� zagadnienia ochrony �rodowiska w sposób kompleksowy. Wzrost liczby pojazdów na �wiecie oraz zwi�kszaj�ce si� zanieczyszczenie �rodowiska naturalnego powoduj� coraz wi�ksze zaangaowanie producentów pojazdów

464 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian �ab�d, Arkadiusz Stojecki

w przygotowanie i promowanie pojazdów ekologicznych (w tym zasilanych paliwami alternatywnymi). Najnowsze wyniki bada� prowadzonych w warunkach rzeczywistej eksploatacji wskazuj�, e emisja szkodliwych sk�adników spalin dla takich pojazdów jest zdecydowanie mniejsza ni w przypadku zasilania paliwami konwencjonalnymi [1, 2, 3]. W zwi�zku z powyszym dostrzegalny jest trend wykazania zalet pojazdów zasilanych gazem ziemnym w rónych warunkach ruchu – równie dla rónych klas emisyjnych tych pojazdów.

Na podstawie dost�pnych rozwi�za� na rynku mona za�oy�, i w przypadku pojazdów osobowych i dostawczych zasilanych CNG ich zasi�g jest o oko�o 50% mniejszy w porównaniu z tymi samymi modelami zasilanymi olejem nap�dowym. Wniosek ten jest s�uszny w stosunku do pojazdów, które fabrycznie przystosowane s� do zasilania spr�onym gazem ziemnym. Cecha ta powoduje, i samochody zasilane CNG w wi�kszym stopniu s� uytkowane w duych aglomeracjach miejskich, b�d te w ich bezpo�rednim pobliu, ze wzgl�du na dost�pno�� stacji tankowania gazem.

2. METODYKA BADA�

2.1. WARUNKI POMIARÓW Celem bada� by�o porównanie wyników bada� drogowych emisji spalin pojazdów

o rónej klasie emisyjnej zasilanych spr�onym gazem ziemnym w rónych warunkach ruchu. Badania emisji spalin wykonano podczas przejazdów wyznaczon� tras� pomiarow�, któr� podzielono na odcinki o rónej specyfice nat�enia ruchu drogowego (rys. 1). Dla wybranych odcinków – etapów bada�, wyznaczono charakterystyk� przejazdu oraz warto�ci emisji drogowej zwi�zków szkodliwych spalin dla pojazdów rónej klasy emisyjnej. Charakterystyk� trasy i parametrów przejazdów przedstawiono w tablicy 1.

Rys. 1. Trasa przejazdu podczas bada�

Badania emisji spalin pojazdów o rónej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym 465

Tablica 1 Charakterystyka trasy przejazdu z podzia�em na odcinki pomiarowe

Pojazd/ klasa

emisyjna Etap

Czas testu [s]

D�ugo�� drogi [m]

Pr�dko�� �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� by�y pojazdy z silnikiem o zap�onie iskrowym zasilane spr�onym

gzem ziemnym, wyposaone w manualn� skrzyni� biegów o przebiegu 75 000 km (pozosta�e parametry: silnik 4-cylindrowy o pojemno�ci: 2,0 dm3, wyposaony w reaktor trójfunkcyjny, system diagnostyczny EOBD – ISO 14230, spe�niaj�cy norm� Euro 4 oraz – drugi pojazd – Euro 5). Pojazdy by�y fabrycznie przystosowane do zasilania gazem ziemnym i by�o to podstawowe paliwo w nich stosowane. Pomiary emisji spalin wykonano w okolicach Poznania g�ównie na obszarach podmiejskich. Testy wykonano w dwóch wariantach pojazdów: o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 oraz zblionym przebiegu – 75 000 km (rys. 2). Pomiary wykonano 3-krotnie – warto�ci przedstawione w artykule s� warto�ciami u�rednionymi.

Rys. 2. Widok analizatora spalin zamontowanego w pojazdach podczas bada�

466 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian �ab�d, Arkadiusz Stojecki

2.3. APARATURA BADAWCZA Do pomiarów st�enia zwi�zków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny

analizator Semtech DS [2, 4]. Umoliwia� on pomiar zwi�zków szkodliwych – tlenku w�gla, dwutlenku w�gla, w�glowodorów oraz tlenków azotu. Natomiast do pomiaru masy cz�stek sta�ych pos�uy� mobilny analizator AVL 483 Micro Soot Sensor [9]. Pomiary rozk�adu wielko�ci cz�stek sta�ych 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� charakteryzowa�y si� zrónicowanymi warunkami

jazdy co bezpo�rednio przek�ada�o si� na inne warunki pracy silnika. Etap I (przejazd drog� szybkiego ruchu ze skrzyowaniami) do charakteryzowa� si� duym udzia�em (oko�o 30%) pr�dko�ci pojazdu z zakresu 24–30 m/s (pr�dko�� �rednia oko�o 70 km/h) oraz 3-procentowym udzia�em zatrzymania pojazdu (rys. 4a i 5a). Taka charakterystyka odcinka badawczego bezpo�rednio wp�ywa na prac� silnika: obszar jego pracy to g�ównie warto�ci zwi�kszonej pr�dko�ci obrotowej i ma�e 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�yw

omie

rz

rozcie�czanie spalin

T, H OBD GPS

Badania emisji spalin pojazdów o rónej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym 467

a) b) c)

Rys. 4. Udzia�y czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we wspó�rz�dnych pr�dko�� pojazdu–przyspieszenie w rónych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V

a) b) c)

Rys. 5. Udzia�y czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 we wspó�rz�dnych pr�dko�� pojazdu–przyspieszenie w rónych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V

a) b) c)

Rys. 6. Udzia�y czasu pracy silnika pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we wspó�rz�dnych pr�dko��

obrotowa–obci�enie w rónych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V a) b) c)

Rys. 7. Udzia�y czasu pracy silnika pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 we wspó�rz�dnych pr�dko��

obrotowa–obci�enie w rónych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V

468 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian �ab�d, Arkadiusz Stojecki

Etap III charakteryzowa� si� innymi warunkami: droga poza obszarem zabudowanym nie wymaga�a zatrzymywania si� pojazdu – w zwi�zku z tym taki punkt nie jest widoczny na charakterystyce pracy pojazdu (rys. 4b i 5b). Natomiast na charakterystyce pracy silnika

wyranie mniejszy jest obserwowany udzia� czasu pracy na biegu ja�owym (rys. 6b i 7b). Wi�kszy jest równie udzia� duych pr�dko�ci obrotowych silnika i �redniego obci�enia – w takim obszarze silnik pracowa� przez wi�kszo�� odcinka badawczego.

Ostatni etap pomiarowy odbywa� si� na drodze dojazdowej do Poznania oraz w obszarze zabudowanym: charakteryzowa� si� mniejszymi warto�ciami pr�dko�ci jazdy oraz znacznym udzia�em postoju pojazdu (rys. 4 c i 5c). Wynikiem takiej sytuacji by�y inne warunki wykorzystania charakterystyki silnika: pracowa� on g�ównie w zakresie ma�ych pr�dko�ci obrotowych i ma�ego obci�enia (rys. 6c i 7c). W tym etapie obserwowany by� najwi�kszy udzia� biegu ja�owego silnika.

3.2. ANALIZA ST��ENIA I EMISJI ZWI�ZKÓW SZKODLIWYCH Charakterystyki porównawczej st�enia i emisji zwi�zków szkodliwych dokonano na

podstawie porównania przyk�adowych wyników uzyskanych w etapie I – etapie charakterystycznym dla warunków ruchu wyst�puj�cych na drodze mi�dzymiastowej z niewielk� liczb� skrzyowa�. Natomiast wyniki ko�cowe w dalszej cz��ci artyku�u b�d� zaprezentowane dla etapów bada� przedstawionych w punkcie poprzednim.

Charakter zmian st�enia i w konsekwencji nat�enia emisji dwutlenku w�gla dla badanych pojazdów jest bardzo zbliony (rys. 8 a). �rednia warto�� st�enia dwutlenku w�gla zawiera si� w warto�ciach oko�o 9% niezalenie od klasy emisyjnej pojazdu. Równie nat�enie emisji tego sk�adnika spalin jest podobne. Warto�� �rednia nat�enia emisji wynosi oko�o 2500 mg/s – co �wiadczy o zblionym zuyciu paliwa przez badane pojazdy. Wi�ksze warto�ci nat�enia emisji przy jednakowym poziomie st�enia �wiadcz� o wi�kszym nat�eniu przep�ywu spalin pojazdu, co jest zwi�zane z wi�kszymi warto�ciami pr�dko�ci obrotowej silnika.

Podobne tendencje zaobserwowano przy pomiarze st�enia i nat�enia emisji tlenku w�gla (rys. 8b). Widoczny jest kilkukrotny nag�y wzrost st�enia i nat�enia emisji wywo�any gwa�townym zwi�kszeniem parametrów pracy silnika (pr�dko�ci obrotowej i obci�enia, wywo�ane np. zmian� biegów i nag�ym przyspieszeniem pojazdu). Zarejestrowane warto�ci nie wykazuj� znacz�cych rónic w przebiegach – naley uzna�, na tym etapie analizy, e badane pojazdy nap�dzane gazem ziemnym o rónej klasie emisyjnej (ale podobnym przebiegu), emituj� podobn� mas� tlenku w�gla.

Rónice w badaniach pojazdów o rónej klasie emisyjnej odnotowano w poziomie st�enia w�glowodorów. Dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 warto�� �rednia st�enia w�glowodorów wynosi�a oko�o 20 ppm, natomiast dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 – by�a to warto�� 30 ppm (rys. 8c). Cz��ciowym wyt�umaczeniem tego, moe by� wi�ksza temperatura w komorze spalania czego skutkiem b�dzie wi�ksza skuteczno�� reaktora katalitycznego spalin. Wysza temperatura spalania b�dzie jednak powodowa�a zwi�kszenie st�enia tlenków azotu, co by�o charakterystyczne dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 (rys. 8d). W porównaniu ko�cowych wyników naley oczekiwa� zwi�kszonej emisji tlenków azotu dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4.

Badania emisji spalin pojazdów o rónej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym 469

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 w�gla, b) tlenku w�gla, c) w�glowodorów, d) tlenków

azotu

470 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian �ab�d, Arkadiusz Stojecki

Aby wyja�ni� to zjawisko przeanalizowano zmiany wspó�czynnika nadmiaru powietrza oraz temperatur� spalin w badanych pojazdach (na przyk�adzie etapu V). Brak rónic w warto�ciach �rednich dotycz�cych wspó�czynnika nadmiaru powietrza badanych pojazdów (rys. 9), znacz�co odbiega od porównania warto�ci temperatury spalin mierzonej w punkcie poboru spalin (na ko�cu uk�adu wylotowego). Temperatura spalin dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 jest o kilkana�cie stopni wi�ksza 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). Porównuj�c jedynie warto�ci maksymalne uzyskane dla tego etapu bada� uzyskuje si� kilkukrotnie wi�ksze nat�enie emisji tlenków azotu dla maksymalnych zakresów pracy silnika. Pojazd klasy Euro 4 maksymalnych warunkach obci�enia i pr�dko�ci obrotowej emituje oko�o 10 mg/s tlenków azotu, a pojazd o klasie emisyjnej Euro 5 – w podobnych warunkach – oko�o 2 mg/s. Kilkukrotnie wi�ksze nat�enie emisji tlenków azotu ma znaczenie w ko�cowym bilansie emisji, jednake uzyskiwane warto�ci emisji ca�kowitej nie róni� si� kilkukrotnie. Wp�ywa ma na to udzia� czasu przebywania pojazdu w tych warunkach – jest on ma�y – wyst�puje tylko podczas nag�ego zwi�kszenia parametrów pracy silnika. a) b)

Rys. 9. Zmiany wspó�czynnika 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)

Badania emisji spalin pojazdów o rónej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym 471

Wyznaczaj�c emisj� drogow� poszczególnych zwi�zków szkodliwych spalin na rozpatrywanych odcinkach pomiarowych uwidaczniaj� si� równice mi�dzy pojazdami o rónej klasie emisyjnej. Nieznaczne mniejsze w warto�ciach emisji drogowej dwutlenku w�gla s� potwierdzeniem uzyskanego mniejszego zuycia paliwa (rys. 11a). Wykazana rónica nie przekracza�a 3–4%, jednake uzyskano j� we wszystkich badanych przypadkach, co eliminuje pope�nienie b��du przy jego wyznaczaniu z powodu niepowtarzalno�ci przejazdów w rónych etapach bada�. Emisja drogowa tlenku w�gla i w�glowodorów jest zbliona mi�dzy badanymi pojazdami (rys. 11b i 11c). Mona uzna�, e uzyskane rónice nie s� znacz�ce jednake s� charakterystyczne dla tych pojazdów: emisja tlenku w�gla jest nieznacznie wi�ksza dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 ni dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4. Sytuacja jest podobna przy wyznaczaniu emisji drogowej w�glowodorów. Mona przyj�� tez�, e producent – przy zmianie klasy emisyjnej pojazdu – zastosowa� regulacj� silnika, powoduj�c� kilkuprocentowe zwi�kszenie emisji tlenku w�gla i w�glowodorów, uzyskuj�c jednake znacz�ce zmniejszenie emisji tlenków azotu – w niektórych etapach bada� o ponad 50% (rys. 11d). Zastosowanie takiego rozwi�zania wymusi�o zmniejszenie temperatury w komorze spalania silnika, ale jednocze�nie mog�o sta� si� powodem mniej skutecznego dzia�ania reaktora katalitycznego,

a) b)

c) d)

Rys. 11. Warto�ci emisji drogowej zwi�zków szkodliwych dla wybranych etapów bada� pojazdów

o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5: a) dwutlenku w�gla, b) tlenku w�gla, c) w�glowodorów, d) tlenków azotu

472 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian �ab�d, Arkadiusz Stojecki

4. PODSUMOWANIE

Wyznaczon� emisj� zwi�zków szkodliwych porównano do warto�ci normatywów, którym poddawane s� pojazdy zasilane gazem ziemnym. Porównania dokonano uwzgl�dniaj�c wyniki emisji dla pojazdów klasy Euro 4 i Euro 5 we wszystkich etapach bada� – z ca�ej trasy przejazdu (rys. 12). Wynika z niego, e badane pojazdy ze znacznym zapasem spe�niaj� limity emisji spalin, a jednocze�nie s� dobry przyk�adem dzia�a� na rzecz ochrony �rodowiska. Zmiana klasy emisyjnej pojazdu mi�dzy 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 warto�ci 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-Bia�a 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. Keywords: exhaust emission, compressed natural gas, road test