article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(87)/2012
Zdzisław CHŁOPEK1
EKOLOGICZNE SKUTKI ZASILANIA SILNIKÓW AUTOBUSÓW
MIEJSKICH PALIWEM BIOGAZOWYM
1. Wstęp
W poszukiwaniu proekologicznych rozwiązań w komunikacji miejskiej rozpatruje
się zasilanie silników autobusów miejskich paliwami niekonwencjonalnymi. Od tzw.
paliw ekologicznej oczekuje się wszechstronnej poprawy właściwości ekologicznych
pojazdów, co nie zawsze jest łatwe do osiągnięcia. Największą wagę przywiązuje się zazwyczaj do emisji zanieczyszczeń. Ekologiczne skutki emisji zanieczyszczeń z silników
spalinowych i pojazdów można sklasyfikować w następujący sposób [1]:
 w skali lokalnej – emisja substancji szkodliwych dla zdrowia; podstawowymi zanieczyszczeniami szkodliwymi dla zdrowia są substancje, których emisja jest nadzorowana zgodnie z przepisami prawa, mianowicie: tlenek węgla, związki organiczne
(zwane węglowodorami), tlenki azotu i cząstki stałe;
 w skali makroregionów – emisja substancji sprzyjających powstawaniu smogu fotochemicznego – tzw. prekursorów ozonu, czyli spośród substancji emitowanych z silników spalinowych przede wszystkim niemetanowych związków organicznych
i tlenków azotu;
 w skali transgranicznej – emisja pyłów oraz substancji sprzyjających powstawaniu
kwaśnych opadów, czyli spośród składników spalin przede wszystkim tlenków
azotu;
 w skali globalnej – emisja substancji sprzyjających intensyfikacji zjawiska cieplarnianego – przede wszystkim dwutlenku węgla kopalnego.
Sposród rozwiązań proekologicznych w dziedzinie paliw niekonwencjonalnych do
zasilania silników spalinowych autobusów miejskich rozpatruje się przede wszystkim
dwa, mianowicie zastosowanie paliw: bioetanolowego E95 [2, 3] i biogazowego [4–9].
W wypadku paliwa bioetanolowego E95 znajduje ono zastosowanie do zasilania specalnych silników o zapłonie samoczynnym [2, 3]. Paliwo biogazowe jest zazwyczaj używane do silników o zapłonie iskrowym, bedących konstrukcjami pochodnymi od silników o zapłonie samoczynnym, choć również jest możliwe technicznie zastosowanie paliwa gazowego do silników o zapłonie samoczynnym, tzw. dwupaliwowych [4–9].
Zastosowanie obydwu rodzajów paliw do zasilania silników autobusów miejskich
ma liczne zalety ekologiczne. Obydwa paliwa są pochodzenia biologicznego, zatem ich
wkład w emisję dwutlenku węgla kopalnego jest znikomy. Dodatkowo silniki zasilane
tymi paliwami charakteryzują się małą emisją zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia
[4–9]. W niniejszej pracy porównano właściwości ekologiczne wybranych silników na
paliwo biogazowe stosowanych do napędu autobusów miejskich.
Prof. nzw. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn
Roboczych, Instytut Pojazdów
1
175
2. Właściwości silników spalinowych zasilanych paliwem biogazowym ze względu
na emisję zanieczyszczeń
Poddano ocenie ekologiczne właściwości silników spalinowych na paliwo biogazowe, używanych do napędu autobusów miejskich. Są to silniki firm Scania, MAN
i Cummins. Silniki Scania OC9 G04, Scania OC9 G05 [5] oraz MAN E2876 LUH02 [8]
mają system spalania mieszanki ubogiej, natomiast silniki MAN E2866 DUH03 i Cummins ISLG 320 CNG [9] są zasilane mieszanką stechiometryczną, a w układzie wylotowym zastosowano wielofunkcyjny reaktor katalityczny utleniająco–redukujący.
Na rysunkach 1–5 przedstawiono wyniki badań emisji jednostkowej zanieczyszczeń
w teście dynamicznym ETC (European Transient Cycle) z silników zasilanych paliwem
biogazowym [5, 8, 9]. Dodatkowo na wykresach są umieszczone limity emisji jednostkowej EEV (ang. Enhanced Environmental Friendly Vehicles – pojazdy przyjazne dla
środowiska). Dla silnika Cummins ISLG 320 CNG przedstawiono tylko wyniki emisji
jednostkowej tlenków azotu i cząstek stałych – pozostałe wyniki badań okazały się niedostępne.
EEV
Scania OC9 G04
Scania OC9 G05
MAN E2876 LUH02
MAN E2866 DUH03
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
eCO [g/(kW h)]
Rys. 1. Emisja jednostkowa tlenku węgla wraz z limitem EEV
EEV
Scania OC9 G04
Scania OC9 G05
MAN E2876 LUH02
MAN E2866 DUH03
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
eNMHC [g/(kW h)]
Rys. 2. Emisja jednostkowa niemetanowych węglowodorów wraz z limitem EEV
176
EEV
Scania OC9 G04
Scania OC9 G05
MAN E2876 LUH02
MAN E2866 DUH03
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
eCH4 [g/(kW h)]
Rys. 3. Emisja jednostkowa metanu wraz z limitem EEV
EEV
Scania OC9 G04
Scania OC9 G05
MAN E2876 LUH02
MAN E2866 DUH03
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
eNOx [g/(kW h)]
Rys. 4. Emisja jednostkowa tlenków azotu wraz z limitem EEV
EEV
Scania OC9 G04
Scania OC9 G05
MAN E2876 LUH02
MAN E2866 DUH03
0
0,0025
0,005
0,0075
0,01
0,0125
0,015
0,0175
0,02
ePM [g/(kW h)]
Rys. 5. Emisja jednostkowa cząstek stałych wraz z limitem EEV
W wypadku większości zanieczyszczeń ich emisje jednostkowe są znacznie mniejsze niż limity EEV, szczególnie dla tlenku węgla, związków organicznych i cząstek stałych. Jedynie w wypadku tlenków azotu ich emisja jednostkowa z silników zasilanych
mieszanką ubogą jest stosunkowo duża, co jest typowe dla takich silników [8]. W za177
mian za tę niedogodność osiąga się zysk w sprawności ogólnej, która jest większa dla
silników zasilanych mieszanką ubogą, co skutkuje mniejszym zużyciem paliwa przez
autobusy w ich użytkowaniu [8].
Przeprowadzono ocenę kompleksowej szkodliwości emisji zanieczyszczeń z klasycznego silnika o zapłonie samoczynnym i silnika zasilanego paliwem biogazowym
w warunkach napędzania autobusu przegubowego o długości 18 m w czasie jego typowego użytkowania. Jako klasyczny silnik o zapłonie samoczynnym wytypowano silnik
MAN D0826LOH07, a jako silnik o zapłonie iskrowym zasilany paliwem biogazowym
– silnik MAN E2866DOH
Obydwa silniki są stosowane do napędu autobusów miejskich. Silnik D0826LOH07
jest 6–cylindrowym, rzędowym turbodoładowanym silnikiem o objętości skokowej
6871 cm3 o znamionowej mocy użytecznej 170 kW. Silnik spełnia wymagania emisji
zanieczyszczeń na poziomie EURO III [8]. Silnik E2866DOH jest dostosowany do zasilania sprężonym gazem ziemnym oraz paliwem biogazowym. Silnik ten pracuje na
mieszance o składzie zbliżonym do stechiometrycznego. Jest to 6–cylindrowy, rzędowy
silnik niedoładowany o objętości skokowej 11967 cm3 o znamionowej mocy użytecznej
178 kW. W układzie wylotowym zastosowano wielofunkcyjny reaktor katalityczny. Silnik spełnia wymagania emisji zanieczyszczeń na poziomie EURO V i EEV [8].
Założono, że autobusy poruszają się zgodnie z modelem ruchu typowym dla Warszawy – w teście jednym MZA [6]. W pracy [6] jest szczegółowo opisany sposób symulacji emisji drogowej zanieczyszczeń w warunkach ruchu na podstawie wyników badań
emisji jednostkowej zanieczyszczeń w testach dynamicznych na hamowni silnikowej.
Do oceny kompleksowej szkodliwości emisji zanieczyszczeń wykorzystano koszty emisji zanieczyszczeń obliczane zgodnie z Dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady
2009/33/WE w sprawie promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów. Na rysunku 6 przedstawiono koszty emisji zanieczyszczeń w transporcie drogowym zgodnie z Dyrektywą 2009/33/WE w sprawie promowania ekologicznie czystych
i energooszczędnych pojazdów.
100
87
c [€/kg]
80
60
40
20
1
4,4
0,035
0
NMHC
NOx
PM
CO2
Rys. 6. Koszty emisji zanieczyszczeń w transporcie drogowym zgodnie
z Dyrektywą 2009/33/WE w sprawie promowania ekologicznie czystych
i energooszczędnych pojazdów
Jeśli przyjąć założenie, że dwutlenek węgla niekopalnego nie obciąża środowiska, to
koszty obciążenia środowiska emisją drogową zanieczyszczeń w teście MZA dla rozpatrywanych silników przedstawiają się tak, jak na rysunku 7.
178
0,15
0,125
CS [€/km]
0,1
0,075
0,05
d = – 90%
0,025
0
D 0826 LOH 07
E2866DOH
Rys. 7. Koszty obciążenia środowiska emisją drogową zanieczyszczeń w teście MZA
z silników: D082LOH07 i E2866DOH
Badania symulacyjne kosztów obciążenia środowiska w związku z emisją zanieczyszczeń potwierdzają znaczne korzyści ekologiczne zastosowania zasilania gazem
ziemnym silników autobusów miejskich – względna różnica kosztów obciążenia środowiska emisją drogową zanieczyszczeń wynosi 90%.
3. Podsumowanie
Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować wnioski, dotyczące
ekologicznych zalet zastosowania zasilania silników autobusów miejskich biogazem
zamiast silników o zapłonie samoczynnym na olej napędowy:
1. Biogaz jest paliwem pochodzenia biologicznego, a zatem paliwem odnawialnym.
Zastosowanie biogazu umożliwia uzyskanie praktycznie zerowej emisji dwutlenku
węgla kopalnego.
2. Zastosowanie biogazu (podobnie jak gazu ziemnego) umożliwia wyraźne zmniejszenie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia ludzi, szczególnie cząstek stałych.
3. Zastosowanie biogazu do zasilania silników autobusów miejskich jest elementem racjonalizacji wykorzystania zasobów naturalnych nośników energii – jest to szczególnie korzystne w wypadku wykorzystywania lokalnych źródeł biogazu, pochodzących z zasobów komunalnych aglomeracji miejskich, w których są użytkowane autobusy.
Literatura:
[1]
Chłopek Z.: Ochrona środowiska w eksploatacji samochodów. Rozdział monografii „Edukacja ekologiczna. Podstawy działań naprawczych w środowisku”.
Polskie Towarzystwo Inżynierii Ekologicznej. Nałęczów 2004.
[2]
Chłopek Z.: The estimation of the pollutant emission from internal combustion
engines supplied with bioethanol fuels. Silniki Spalinowe – Combustion Engines
Nr 2/2008 (133). 39–44.
[3]
Chłopek Z.: Ecological aspects of using bioethanol fuel to power combustion engines. Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability Nr 3
(35)/2007. 65–69.
[4]
Ayala A. et al.: Diesel and CNG heavy–duty transit bus emissions over multiple
driving schedules: regulated pollutants and project overview. SAE Transactions
Journal of Fuels and Lubricants. 2002. 735–747.
179
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Chłopek Z., Gis W., Waśkiewicz J.: Zastosowanie biogazu do zasilania silników
autobusów miejskich. Rozdział w monografii „Energia niekonwencjonalne i zagospodarowanie odpadów”. Lublin 2010. 103–116.
Chłopek Z., Magierski M.: Ocena ekologicznych właściwości zastosowania do
autobusów silników na gaz ziemny zgodnie z dyrektywą w sprawie promowania
ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów. Rozdział w monografii
„Silniki gazowe. Zagadnienia wybrane”. Częstochowa 2010. 95–107.
Cho H. M., He B.–Q.: Combustion and emission characteristics of a lean burn
natural gas engine. International Journal of Automotive Technology. Volume 9,
Number 4/August 2008. 415–422.
http://www.scribd.com/doc/72083309/MAN–CNG–Bus–Presentation–05–2009.
Jarząbkowski S.: Materiały firmy Solaris. International Scientific Technical
Conference „Biogas as vehicle fuel”. Rzeszów 19–21.10.2011.
Streszczenie
W pracy przedstawiono ekologiczne skutki zasilania silników autobusów miejskich
paliwem biogazowym. Przedstawiono wyniki badań emisji jednostkowej zanieczyszczeń
z wybranych silników zasilanych paliwem biogazowym w teście ETC. Są to silniki stosowane do napędu autobusów miejskich, będące modyfikacją oryginalnych silników
o zapłonie samoczynnym do silników o zapłonie iskrowym. Emisja jednostkowa zanieczyszczeń z silników zasilanych paliwem biogazowym jest znacznie mniejsza od limitów EEV. Porównano również ekologiczne skutki zastosowania do zasilania silników
autobusów miejskich paliwa biogazowego, wykorzystując procedurę zgodną z Dyrektywą 2009/33/WE. Stwierdzono 90–procentową korzyść ekologiczną stosowania paliwa
biogazowego do zasilania autobusów miejskich w stosunku do stosowania klasycznych
silników o zapłonie samoczynnym zasilanych olejem napędowym.
Słowa kluczowe: biogaz, silniki spalinowe, autobusy miejskie, emisja zanieczyszczeń
THE ECOLOGICAL CONSEQUENCES OF THE USE BIOGAS FUEL TO THE
SUPPLY ENGINES OF CITY BUSES
Abstract
The paper presents the environmental consequences of the supply urban bus engines
by biogas fuel. The results of investigations of the pollutant specific brake emission from
engines on biogas fuel in the test ETC have been presented. These are the engines used
to drive buses, which is a modification of the original diesel engines to spark ignition
engines. The emission of pollutants from engines by biogas fuel is much less than the
EEV limits. Also compared the ecological effects of the bus engine by biogas fuel, using
the procedure consistent with the Directive 2009/33/EC. It was found 90 percent favor
the use of biogas fuel to supply city buses in relation to the use of conventional diesel
engines supplied with diesel fuel.
Keywords: biogas, internal combustion engines, city buses, pollutant emission
180