Badania układów ogrzewania autobusów miejskich w komorze

Badania układów ogrzewania autobusów miejskich w komorze

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 98
Transport
2013
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 pojedzie
wyposaonym 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 zuycia paliwa obliczonego metod carbon balance. Pomiary emisyjnoci
autobusu zrealizowano za pomoc mobilnego przyrzdu SEMTECH DS, klasyfikowanego jako
urzdzenie nalece do grupy PEMS (Portable Emissions Measurement Systems). Ponadto
wykorzystano sond masowego natenia 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 podróy pasaerom oraz kierowcy podczas pracy. Ponadto system
ogrzewania korzystnie wpywa na bezpieczestwo, poniewa jego wykorzystanie
zapewnia zmniejszenie wilgotnoci wewntrz pojazdu, która moe niekorzystnie wpywa
na widoczno (wystpowanie pary wodnej na powierzchni szyb) [1]. Waciwe warunki
pracy kierowcy maj duy wpyw na jego sprawno psychofizyczn.
Pojazdy komunikacji miejskiej s obecnie powszechnie wyposaane w ukady
ogrzewania postojowego. Równie w przypadku samochodów osobowych wyszej klasy
pojawiaj si tego typu rozwizania w standardowym wyposaeniu. Obecnie obserwuje si
zwikszenie iloci osób podróujcych komunikacj miejsk [6]. Przecitna podro
autobusem miejskim mieci si w przedziale od kilku do kilkunastu minut, w czasie której
22
Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak, Andrzej Ziókowski, Micha Dobrzyski
pojazd jest kilkukrotnie wietrzony podczas obsugi przystanków, kiedy nastpuje wymiana
pasaerów. 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 pojedzie powinna by nisza na wysokoci gowy ni przy
pododze. Ma to bezporedni wpyw na pasaerów i kierowc, poniewa taki ukad
zapobiega powstawaniu uczucia sennoci oraz zmczenia.
Oprócz zalet stosowania ukadu ogrzewania w autobusie miejskim mona wyróni
take 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 naley 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 zuycia paliwa w dwóch cyklach na tym
samym autobusie komunikacji miejskiej o dugoci 18 m.
Pojazd wykorzystany do bada wyposaony 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 moe dziaa w trybie hybrydowym
bez koniecznoci dostarczania energii z zewntrz, jednak zaimplementowany w ukadzie
jest take system zewntrznego adowania baterii. Zcze typu „plug-in” o dopuszczalnym
prdzie adowania 63 A pozwala uzupenia energi w czasie postoju pojazdu.
Badania ukadów ogrzewania autobusów miejskich w komorze klimatycznej
23
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 stenie 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 suce 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 umoliwiajc
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. Natenie 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
Stenie zwizków:
HC
NDIR – niedyspersyjna, zakres 0-10%
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
Obsugiwane
systemy
diagnostyczne
masowe natenie przepywu
Tmax do 700oC
SAE J1850/SAE J1979 (LDV)
SAE J1708/SAE J1587 (HDV)
CAN SAE J1939/J2284 (HDV)
±3%
±2,5%
±1% zak.
24
Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak, Andrzej Ziókowski, Micha Dobrzyski
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 wyposaony 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 pojedzie
Badania emisyjnoci autobusu wyposaonego w róne typy pieców ogrzewania
postojowego, ich wpywu na energochonno caego pojazdu oraz rozkadu temperatur
dokonano w komorze klimatycznej. Temperatura pocztkowa w kadej 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 obciona jedynie przez ukad ogrzewania.
Wszystkie pozostae ukady i systemy byy wyczone. Widok pojazdu w komorze
klimatycznej przedstawiono na rysunku 3.
Badania ukadów ogrzewania autobusów miejskich w komorze klimatycznej
25
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 zuycie paliwa autobusu dla kolejnych cykli pomiarowych. W obliczeniach
wykorzystano metod carbon ballance. W przypadku autobusu wyposaonego w piec
elektryczny uzyskano wiksze zuycie 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 zuycia 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 duymi zmianami prdkoci obrotowej wau korbowego.
Sumaryczne zuycie 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 zuycia paliwa wynikay z koniecznoci
doadowania zasobników energii ukadu elektrycznego.
26
Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak, Andrzej Ziókowski, Micha Dobrzyski
Rys. 4. Przebieg sekundowego zuycia paliwa autobusu wyposaonego 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 zbliony.
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
naraone na dziaanie warunków zewntrznych. Jak wynika z przedstawionych
charakterystyk na rys. 5, otwieranie drzwi nie miao znaczcego wpywu na zwikszenie
sekundowego zuycia paliwa.
Rys. 5. Rozkad temperatur wewntrz pojazdu wyposaonego w piec elektryczny
Badania ukadów ogrzewania autobusów miejskich w komorze klimatycznej
27
Rys. 6. Rozkad temperatur wewntrz pojazdu wyposaonego w piec spalinowy
4. WNIOSKI
W celu okrelenia rónic cakowitego zuycia 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 wyszym rednim
sekundowym zuyciem paliwa. W przypadku temperatury pocztkowej -15°C, w której
rozpoczto pomiar, wzgldna rónica redniego sekundowego zuycia paliwa wyniosa
8,2%. wiadczy to o duym 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 uycie
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 wyposaonych 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 obciaj w sposób bezporedni jednostki spalinowej. Konieczne jest jednak
stosowanie najbardziej optymalnych i energooszczdnych konstrukcji, a take 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).
28
Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak, Andrzej Ziókowski, Micha Dobrzyski
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.
Keywords: ecology, exhaust emission, stationery heating system