analysis of emissions from urban transit buses in real life conditions

analysis of emissions from urban transit buses in real life conditions

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3­4 ANALYSIS OF EMISSIONS FROM URBAN TRANSIT BUSES IN REAL LIFE CONDITIONS Zdzisław Chłopek Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów, Zakład Silników Spalinowych, 02–524 Warszawa, ul. Narbutta 84 tel./fax (22) 8490314, e–mail [email protected] J acek Rostkowski Environment Canada, Environmental Technology Centre, Emissions Research and Measurement Division, Canada, Ontario K1A 0H3, Ottawa, 3439 River Road South tel. (613) 9914871, fax (613) 9521006, e–mail [email protected] Abstract Due to limitations in instrumentation for testing of emissions, heavy–duty engines are commonly tested on engine dynamometers using modal or transient cycles. There is an urgent need to verify these procedures in real life situations. This paper presents the analysis of the results of testing of emissions from urban transit buses, conducted by Emissions Research and Measurement Division (ERMD) with collaboration of Instituto Colombiano del Petroleo ECOPETROL in Bogotá, Colombia. Testing was conducted in real road conditions, using a portable dilution system designed and manufactured by the ERMD, on 15 randomly selected urban buses, using a specially designed road cycle. ECOPETROL, the main Colombian petroleum producer, had lowered the sulfur content from 3000 ppm to 1000 ppm in the fuel supplied for Bogotá urban transit as a means to reduce emissions of secondary particulates. The expected trends were actually observed, but there were large test–to–test differences. It was concluded that testing should be confirmed on an engine dynamometer at the ERMD facility in Ottawa, Canada. ANALIZA EMISJ I ZANIECZYSZCZEŃ Z SILNIKÓW AUTOBUSOWYCH W WARUNKACH RZECZYWISTEGO UŻYTKOWANIA Streszczenie Z powodu ograniczeń instrumentalnych silniki spalinowe ciężkiej trakcji (samochodów ciężarowych i autobusów) bada się ze względu na ich właściwości ekologiczne najczęściej, m.in. w procedurach homologacji typu, na hamowni silnikowej w testach statycznych i dynamicznych. Istnieje potrzeba weryfikacji wyników tych badań w warunkach trakcyjnych, symulujących rzeczywiste użytkowania. W pracy przedstawiono analizę wyników badań, przeprowadzonych przez Emissions Research and Measurement Division (ERMD) w Environmental Technology Centre w Ottawie oraz Empresa Colombiana de Petróleos i Instituto Colombiano del Petroleo ECOPETROL w Bogocie. Badania przeprowadzono w warunkach trakcyjnych z zastosowaniem pokładowego układu poboru spalin, opracowanego i wykonanego w Emissions Research and Measurement Division. Badaniom poddano 15 autobusów w specjalnie opracowanym teście jezdnym. Badania przeprowadzono na dwóch rodzajach paliw o różnych masowych zawartościach siarki: 3000 ppm i 1000 ppm. Powodem obniżenia zawartości siarki było dążenie do zmniejszenia stężenia cząstek stałych w spalinach. Wyniki badań w zasadzie potwierdziły spodziewane skutki, jednak rozrzut wyników był zbyt duży do zaakceptowania. W związku z tym postanowiono przeprowadzić dodatkowe na hamowni silnikowej w laboratorium ERMD w Ottawie. 1. Wprowadzenie
60 70 50 60 50 40 v [km/h] v [km/h] Istnieją poważne trudności badania silników ciężkiej trakcji (samochodów ciężarowych i autobusów) ze względu na emisję zanieczyszczeń w warunkach odpowiadających rzeczywistemu użytkowaniu. Wymagania metrologiczne i metodologiczne warunkują zazwyczaj konieczność wykonywania badań na hamowni podwoziowej, natomiast dla dużych pojazdów może to być trudne ze względów technicznych [2, 3, 5]. W związku z tym najczęściej silniki pojazdów ciężkiej trakcji są badane na hamowni silnikowej w testach statycznych (np. ECE R49) lub dynamicznych (np. US–HDDTT wg Code of Federal Regulations 40 Part 86). Badania te są wykorzystywane przede wszystkim do homologacji typu silników stosowanych do napędu pojazdów ciężkiej trakcji. Istnieją poważne problemy sformalizowania odpowiedniości warunków użytkowania i badań silników w celu oceny ich właściwości ekologicznych [2, 3, 5 – 7, 10]. Z tego powodu poszukuje się metod badań, dzięki którym jest możliwe uzyskanie takich informacji. Zazwyczaj wymaga to jednak przeprowadzanie trudnych technicznie badań na hamowni podwoziowej, np. w testach jezdnych symulujących rzeczywiste użytkowanie pojazdu [1, 8, 9]. Ze względu na specyfikę zastosowania silników pojazdów zostały opracowane testy jezdne symulujące najczęściej występujące warunki użytkowania. Dla autobusów miejskich opracowano testy jezdne, m.in. odpowiadające reprezentatywnym warunkom ruchu w Sztokholmie, Sundsvallu i Brunszwiku (rysunki 1 – 3) [5, 12], a także test EPA–UHDDC (Urban Heavy Duty Cycle), opracowany w EPA (Environment Protection Agency) – rysunek 4 [5, 12]. 30 40 30 20 20 10 10 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 200 400 600 t [s] 800 1000 1200 1400 t [s] Rys. 1. Przebieg prędkości w teście Stockholm Fig. 1. Speed versus time in Stockholm Cycle Rys. 2. Przebieg prędkości w teście Sundsvall Fig. 2. Speed versus time in Sundsvall Cycle 100 70 90 60 80 70 v [km/h] v [km/h] 50 40 30 60 50 40 30 20 20 10 10 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 t [s] Rys. 3. Przebieg prędkości w teście Braunschweig Fig. 3. Speed versus time in Braunschweig Cycle 0 200 400 600 800 1000 t [s] Rys. 4. Przebieg prędkości w teście EPA–UHDDC Fig. 4. Speed versus time in EPA UHDD Cycle (Urban Heavy Duty Diesel) Zazwyczaj w wypadku autobusów miejskich istnieje jednak znaczna specyfika warunków ruchu. Z tego powodu poszukuje się metod obiektywizowania wyników badań właściwości użytkowych silników tej kategorii. W niniejszej pracy przedstawiono analizę wyników badań,
przeprowadzonych przez Emissions Research and Measurement Division w Environmental Technology Centre w Ottawie oraz Empresa Colombiana de Petróleos i Instituto Colombiano del Petroleo ECOPETROL w Bogocie [11]. Badania przeprowadzono w warunkach trakcyjnych zgodnie ze specjalnie opracowanym testem jezdnym. 2. Badania emisji zanieczyszczeń z silników autobusowych w warunkach rzeczywistego użytkowania Badania przeprowadzono w warunkach trakcyjnych z zastosowaniem pokładowego układu poboru spalin, opracowanego i wykonanego w Emissions Research and Measurement Division [11]. Była to pierwsza wersja urządzenia, w której pewne elementy wykazywały dużą wrażliwość na zmiany temperatury, wilgotności i ciśnienia. Bogota jest położona na wysokości prawie 3000 m nad poziomem morza nieomal na równiku. Na tej wysokości normalne ciśnienie barometryczne wynosi 580 mm Hg, przeciętna temperatura rano we wrześniu wynosi 5 o C, a po południu 25 o C. Wilgotność względna od 30 do 100%. Tak znaczne różnice wszystkich tych parametrów w czasie trwania testów przyczyniały się do dużej niepowtarzalności wyników badań. Następna generacja urządzeń (nazwana DOES–2™), opatentowana w 2001 r., nie ma już tych wad. Badaniom poddano w specjalnie opracowanym teście jezdnym (rysunek 4) 15 przypadkowo wybranych autobusów o różnym stanie technicznym. Zbiór badanych autobusów składał się z: pięciu dużych autobusów (pełnowymiarowych), pięciu małych autobusów (średniowymiarowych) oraz pięciu mikrobusów (zdjęcia na rysunku 5). 70 v [km/h] 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 t [s] Rys. 4. Specjalny test do badania emisji zanieczyszczeń z silników autobusów, opracowany w Emissions Research and Measurement Division w Ottawie oraz Empresa Colombiana de Petróleos i Instituto Colombiano del Petroleo ECOPETROL w Bogocie (dane wg [11]) Fig. 4. Special Cycle for Testing of Emissions from City Busses in Bogotá, Colombia (used for road testing during the joint project work between Emissions Research and Measurements Division and Instituto Colombiano del Pertoleo ECOPETROL) (data according to [11]) Badania przeprowadzono na dwóch rodzajach paliw o różnych masowych zawartościach siarki: 3000 ppm i 1000 ppm (tabela). Paliwa te różnią się właściwościami nieznacznie (np. taki sam skład elementarny z dokładnością do 0,5%, różnica gęstości mniejsza niż 2%). Powodem obniżenia zawartości siarki było dążenie do zmniejszenia stężenia cząstek stałych w spalinach. W wyniku przeprowadzonych badań wyznaczono dla obydwu paliw średnie w teście natężenia emisji: tlenku węgla CO, węglowodorów THC, tlenków azotu NOx, cząstek stałych PM oraz dwutlenku węgla CO2. Ze względu na stwierdzone odchyłki do dalszych analiz wybrano: 3 duże autobusy, 2 średnie oraz 3 mikrobusy. Na podstawie wyników badań zawartych w [11] wyznaczono w niniejszej pracy średnie w teście emisje drogowe poszczególnych substancji dla badanych paliw (rysunki 6 – 11).Na
rysunku 12 przedstawiono dla wyselekcjonowanych autobusów względną zmianę emisji drogowej zanieczyszczeń ze względu na badane paliwo. Na rysunkach 13 – 15 przedstawiono dla poszczególnych rozpatrywanych kategorii autobusów wartość średnią, a na rysunkach 16 – 18 maksymalną różnicę względnej zmiany emisji drogowej zanieczyszczeń ze względu na badane paliwo. Duży autobus Full size city bus Mikrobus Bussetta Mały autobus Small bus Rys. 5. Rodzaje badanych autobusów (zdjęcia zaczerpnięte z [11]) Fig. 5. Busses tested in Bogota (pictures from [11]) 5 0,5 3000 ppm S 1000 ppm S b THC [g/km] b C O [g/km] 4 3 2 3000 ppm S 1000 ppm S 0,4 0,3 0,2 0,1 1 0 0 1 2 Duże autobusy 1 3 2 3 Duże autob usy Rys. 6. Wyniki badań emisji drogowej zanieczyszczeń z dużych autobusów Fig. 6. Distance specific mass emissions of full size busses 5 3000 ppm S 1000 ppm S 4 3000 ppm S 1000 ppm S 4 b PM [g/km] b NOx [g/km] 5 3 2 3 2 1 1 0 0 1 2 Duże autobusy 3 1 2 Duże autobusy Rys. 7. Wyniki badań emisji drogowej zanieczyszczeń z dużych autobusów Fig. 7. Distance specific mass emissions of full size busses
3 0,8 20 3000 ppm S 1000 ppm S 15 b THC [g/km] b C O [g/km] 3000 ppm S 1000 ppm S 10 5 0,6 0,4 0,2 0 0 1 1 2 2 Małe autobusy Małe autobusy Rys. 8. Wyniki badań emisji drogowej zanieczyszczeń z małych autobusów Fig. 8. Distance specific mass emissions of small busses 4 4 3000 ppm S 1000 ppm S 3 b P M [g/km] b NOx [g/km] 3000 ppm S 1000 ppm S 2 3 2 1 1 0 0 1 1 2 2 Małe autobusy Małe autobusy Rys. 9. Wyniki badań emisji drogowej zanieczyszczeń z małych autobusów Fig. 9. Distance specific mass emissions of small busses 1,5 5 b PM [g/km] 4 b NOx [g/km] 3000 ppm S 1000 ppm S 3000 ppm S 1000 ppm S 3 2 1 0,5 1 0 0 1 2 1 3 2 3 Mikr obusy Mikr obusy Rys. 10. Wyniki badań emisji drogowej zanieczyszczeń z mikrobusów Fig. 10. Distance specific mass emissions for bussettas 1,5 5 b P M [g/km] 4 b NOx [g/km] 3000 ppm S 1000 ppm S 3000 ppm S 1000 ppm S 3 2 1 0,5 1 0 0 1 2 Mikr obusy 3 1 2 Mikr obusy Rys. 11. Wyniki badań emisji drogowej zanieczyszczeń z mikrobusów Fig. 11. Distance specific mass emissions for bussettas
3 0,6 db CO THC 0,4 NO x NOx PM 0,2 CO 2 CO2 0 ­0,2 ­0,4 ­0,6 1 2 3 Duże autobusy 4 5 6 Małe autobusy 7 8 Mikr obusy Rys. 12. Względna zmiana emisji drogowej zanieczyszczeń z wyselekcjonowanych badanych autobusów ze względu na badane paliwo Fig. 12. Relative change of distance specific mass emissions for selected busses in relation to testing fuel 0,2 0,15 0,090 0,1 0,157 0,100 0,1 0,065 db śr db śr 0,05 0 0 ­0,005 ­0,1 ­0,062 ­0,118 ­0,015 ­0,034 ­0,189 ­0,05 ­0,2 CO THC NOx NO x PM CO2 CO 2 CO THC NOxx NO PM CO2 CO 2 Rys. 13. Wartość średnia względnej zmiany emisji Rys. 14. Wartość średnia względnej zmiany emisji drogowej zanieczyszczeń z drogowej zanieczyszczeń z wyselekcjonowanych dużych autobusów ze wyselekcjonowanych małych autobusów ze względu na badane paliwo względu na badane paliwo Fig. 13. Average value (arithmetic mean) of the Fig. 14. Average value (arithmetic mean) of the relative change of distance specific mass relative change of distance specific mass emissions for selected full size busses in emissions for selected small busses in relation to testing fuel relation to testing fuel
0,15 0,8 0,116 0,1 0,740 0,6 0,048 0,05 db śr D(db) 0,4 0 0,2 ­0,026 ­0,05 0,075 ­0,065 0,075 0,057 0,053 NOx NO x PM CO2 CO 2 ­0,095 0 ­0,1 CO THC NO x NOx CO 2 CO2 PM CO THC Rys. 15. Wartość średnia względnej zmiany emisji Rys. 16. Maksymalna różnica względnej zmiany emisji drogowej zanieczyszczeń drogowej zanieczyszczeń z wyselekcjonowanych mikrobusów ze względu z wyselekcjonowanych dużych autobusów ze na badane paliwo względu na badane paliwo Fig. 15. Average value (arithmetic mean) of the relative Fig. 16. Maximum difference of the relative change of change of distance specific mass emissions for distance specific mass emissions for selected selected bussettas in relation to testing fuel full size busses in relation to testing fuel 0,5 0,6 0,5 0,4 0,4 0,3 D(db) 0,264 D(db) 0,3 0,2 0,2 0,481 0,555 0,168 0,176 0,150 0,144 0,1 0,072 0,1 0,064 0,038 0 0 CO THC NOx NO x PM CO CO2 CO 2 Rys. 17. Maksymalna różnica względnej zmiany emisji drogowej zanieczyszczeń z wyselekcjonowanych małych autobusów ze względu na badane paliwo Fig. 17. Maximum difference of the relative change of distance specific mass emissions for selected small busses in relation to testing fuel THC NOx NO x PM Rys. 18. Maksymalna różnica względnej zmiany emisji drogowej zanieczyszczeń z wyselekcjonowanych mikrobusów ze względu na badane paliwo Fig. 18. Maximum difference of the relative change of distance specific mass emissions for selected bussettas in relation to testing fuel Tabela Parametry badanych olejów napędowych (dane wg [11]) Table Testing fuel characteristics (data from [11]) 3000 ppm S 1000 ppm S Masowy udział węgla [C] [%] 0,870 0,870 Masowy udział wodoru [H] [%] [kg/m ] 0,130 870,8 0,130 854,5 [ppm] 3240 920 47,0 49,1 Gęstość r20 Zawartość masowa siarki [S] Liczba cetanowa LC 3. Podsumowanie
CO2 CO 2 3 W podsumowaniu przeprowadzonych analiz wyników badań emisji zanieczyszczeń z silników autobusów, badanych w warunkach trakcyjnych, można sformułować następujące spostrzeżenia i wnioski: 1. Uzyskano nie zawsze jednoznaczne wyniki wpływu rodzaju paliw, charakteryzujących się różna zawartością siarki, na średnie emisje drogowe poszczególnych zanieczyszczeń:
· zmniejszenie emisji tlenku węgla od 1,5% do 6,5%,
· zmniejszenie w wypadku małych autobusów i mikrobusów i zwiększenie w wypadku dużych autobusów emisji węglowodorów na podobnym poziomie około 10%,
· zwiększenie emisji tlenków azotu o około (10 ÷ 15)%,
· znaczne różnice zmniejszenia emisji cząstek stałych: około 3% dla dużych autobusów i mikrobusów i około 20% dla małych autobusów,
· niezmienność emisji dwutlenku węgla dla małych autobusów i zmniejszenie się o około (5 ÷ 7)% dla dużych autobusów i mikrobusów. 2. Stwierdzono znaczne rozrzuty wartości względnej zmiany emisji drogowej zanieczyszczeń ze względu na badane paliwo dla rozpatrywanych zarówno autobusów, jak i substancji. Znacznie większe były rozrzuty dla wartości nie uśrednionych (co jest oczywiste), dochodzące jednak aż do 80% w wypadku emisji cząstek stałych. Tak znaczne rozrzuty właści­ wości silników w warunkach użytkowania potwierdzają konieczność stosowania do oceny tych właściwości metod badań procesów przypadkowych [3 – 5]. Wyniki analizowanych badań potwierdzają również tezę o znacznej wrażliwości ekologicznych właściwości silników spalinowych na ich przypadkowe warunki pracy [4]. 3. Wyniki badań w zasadzie potwierdziły spodziewane skutki zmniejszenia zawartości siarki w paliwie, jednak rozrzut wyników był zbyt duży do zaakceptowania. W związku z tym postanowiono przeprowadzić dodatkowe na hamowni silnikowej w laboratorium Emissions Research and Measurement Division w Ottawie. 4. Badania były przeprowadzone na przypadkowo wybranej próbie pojazdów o różnym stanie technicznym, co dodatkowo utrudniło interpretację wyników. Zastosowanie metody badań emisji zanieczyszczeń z wykorzystaniem pokładowego układu poboru spalin otwiera nowe możliwości w badaniach ekologicznych właściwości silników spalinowych w warunkach odpowiadających rzeczywistemu użytkowaniu. Szczególnie wartościowe może być wykorzystanie tej metody w stosunku do silników spalinowych o zastosowaniach innych niż samochodowe, dla których metody badań właściwości ekologicznych mają charakter znacznie bardziej uproszczony niż dla silników samochodowych [7]. Podziękowania Autorzy wyrażają podziękowania Emissions Research and Measurement Division w Environmental Technology Centre, (Environment Canada) w Ottawie za umożliwienie wykorzystania do analiz w niniejszej pracy wyników badań przedstawionych w raporcie [8]. Literatura [1] BUWAL, INFRAS AG: Luftschadstoffemissionen des Strassenverkehrs 1950 – 2010. BUWAL–Bericht Nr. 255, 1995. [2] Chłopek Z.: Analiza testów jezdnych do celów oceny ekologicznych właściwości silników spalinowych. II Konferencja Naukowo–Techniczna „Pojazd a Środowisko”. Radom 1999.
[3] Chłopek Z.: Główne problemy modelowania emisji substancji szkodliwych dla środowiska z silników spalinowych. Komitet Transportu PAN. Konferencja Naukowa „MODES” Modelowanie Systemów Energetycznych z Silnikami Spalinowymi. Gdańsk 2001. [4] Chłopek Z.: Metody badań właściwości silników spalinowych w warunkach przypadkowych modelujących użytkowanie. Archiwum Motoryzacji 2/2002. [5] Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria „Mechanika” z. 173. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1999. [6] Chłopek Z.: O kryteriach równoważności warunków eksploatacji i warunków badań silników spalinowych. Fourth International Symposium on Combustion Engines in Military Applications. Jurata 1999. [7] Chłopek Z.: Ocena ekologicznych właściwości silników spalinowych o różnych zastosowaniach – problemy procedur badawczych. Ogólnopolska Konferencja Naukowa KONSSPAL 2000. [8] COPERT III – Methodology and Emission Factors. European Environment Agency. European Topic Center on Air Emission. 2000. [9] INFRAS AG: Handbuch für Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs. Version 1.2. Bern 1999. [10] Kniaziewicz T., Merkisz J., Piaseczny L.: Symulacja rzeczywistych obciążeń silników okrętowych w testach badawczych toksyczności ich spalin. PAN Oddział w Krakowie, Teka Komisji Naukowo–Problemowej Motoryzacji. Kraków 1999. [11] Rostkowski J., Brady J., Torres J.: Exhaust emissions testing of fifteen buses in Santafe de Bogotá, D.C. Operating with 1000 and 3000 ppm sulphur diesel. Technical report. Environment Canada, Environmental Technology Centre, Emissions Research Measurement Division and Empresa Colombiana de Petróleos and Instituto Colombiano del Petroleo ECOPETROL. Ottawa 2000. [12] Turner J.E.: Ontario’s experience with natural gas powered buses. Conferenza Europea Sul Metano Nei Transporti. Bologna 1992.