1 Abstract Úvod NRSC, ESC A EHK 49 TEST U ZETORU

AGRITECH SCIENCE, 10´
NRSC, ESC A EHK 49 TEST U ZETORU FORTERRA 8641, CASE IH JX 90 A FENDT
FARMER 412 VARIO
NRSC, ESC AND EHK 49 TESTS FOR ZETOR FORTERRA 8641, CASE IH JX 90 AND FENDT FARMER 412 VARIO
M. Pexa1), K.Kubín2), M.Cindr
Česká zemědělská univerzita Praha
2)
Výzkumný ústav zemědělské techniky, v.v.i.
1)
Abstract
The knowledge of fuel consumption and emission production of energetic means working in different operating modes is
suitable for predicting their behavior (modelling). Different driving cycles can be simulated based on the surfaces of fuel
consumption and emission production. The production of individual emission component in actual operation can be
predicted as a result of simulating cycle. In the article there is described a method of measurement (laboratory load of tractor
was carried out by means of hydraulic dynamometer attached to the tractor rear power take-off ). Measured and calculated
surfaces for tractors Zetor Forterra 8641, Case IH JX 90 and Fendt Farmer 412 Vario are introduced in the results. These
surfaces show dependences of fuel consumption, carbon monooxide (CO), carbon dioxide (CO2), hydrocarbons (HC),
dioxide nitrogen (NO) and solid particles on engine speed and torque. Models of NRSC, ESC and ECE 49 tests are then
applied to the above surfaces.
Keywords: emission engine characteristics, simulation of driving cycles, environment
Úvod
Diagnostice spalovacího motoru je třeba se průběžně
věnovat, protože má zásadní vliv na ekonomickou a ekologickou stránku provozu. Většina závad na spalovacím motoru se projevuje zvýšenou spotřebou paliva a tím také
zhoršenými emisemi. Kromě spotřeby paliva a emisí je neméně důležité v zemědělském podniku zajistit spolehlivost
charakterizovanou přípustným rizikem havárie.
Spotřeba paliva a emise spolu úzce souvisí (Bauer et al.
2006) a z určitých složek produkovaných emisí lze na základě empirických vztahů vypočítat spotřebu paliva dosaženou během kontrolního měření. Jak se však projeví výsledné zhoršení parametrů motoru ve skutečném provozu, je
problematické odhadovat.
S použitím moderní počítačové technicky, lze provádět
modelování (Kadleček et al. 2002), která na základě naměřených dat poskytne odhady o předpokládané spotřebě a
produkci emisí za zvolených režimů (Pejša et al. 2000-2004).
Daty, v případě spalovacího motoru, se myslí veličinové
plochy spotřeby paliva (Hromádko et al. 2009), oxidu uhelnatého (CO), oxidu uhličitého (CO2), uhlovodíků (HC), oxidu dusnatého (NO) a pevných částic.
Se znalostí těchto veličinových ploch je možné pracovat
dál a provádět výpočetní modelování tahové charakteristiky traktoru, NRSC (Non-road steady cycle) cyklu (8-bodový test), NRTC (Non-road transient cycle) cyklu a jakéhokoliv jiného jízdního cyklu (např. orba traktoru). To lze řešit
pro konkrétní pracovní nebo dopravní soupravu, ale lze
také mezi sebou porovnat dva typu přípojného stroje a
vybrat pro zemědělský podnik ten vhodnější, který splní
pracovní požadavky, ale zároveň nabídne úsporu pohonných hmot a tím ušetří životní prostředí.
Obr. 1. Měřený traktor Zetor Forterra 8641
Obr. 2. Měřený traktor Case IH JX 90
Obr. 3. Měřený traktor Fendt Farmer 412 Vario
1
AGRITECH SCIENCE, 10´
V následujících kapitolách je popsána možnost získání
veličinových ploch (Pexa et al. 2010) a ve výsledcích jsou
modelovány bodové testy NRSC, ESC a EHK 49 (2005/13/
ES, 2000/25/ES, 2004/26/ES, 97/68/ES, 1999/96/ES, 2005/55/
ES, 1991/542/EHS, 96/1/ES) na traktorech Zetor Forterra
8641, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 412 Vario (Drabant et al.
2006), které jsou vzájemně porovnávány. Test NRSC byl
vyvinut pro homologační zkoušení motorů nesilničních
vozidel. Oproti tomu testy EHK 49 a ESC byly vyvinuty a
jsou aplikovány pro homologační zkoušení těžkých silničních vozidel (nákladní automobily apod.). Přestože testy
EHK 49 a ESC nejsou určeny pro zemědělské traktory je
možno výsledky jejich modelového výpočtu aplikovat např.
na traktory pracující v zemědělské dopravě, protože lze předpokládat, že jejich pracovní režim je relativně blízký pracovnímu režimu nákladních automobilů.
Obr. 6. Grafické znázornění testu EHK 49
Materiál a metody
K měřenému traktoru Zetor Forterra 8641 byly postupně
připojeny měřící přístroje. Srdcem byl zatěžující hydraulický dynamometr připojený přes zadní vývodový hřídel traktoru s 540 otáčkami za minutu (obr. 7.). Základní parametry
použitého dynamometru AW NEB 400 jsou:
- maximální točivý moment vývodového hřídele: 2850 Nm
- maximální otáčky vývodového hřídele: 3250 1/min
- maximální brzděný výkon: 343 kW
- chyba měření: 2%
Pro měření spotřeby paliva byl použit palivový box (palivoměr), který obsahuje dva průtokoměry Macnaught MSeries FlowMeter M2ASP-1R. Jeden průtokoměr měří množství paliva dodávaného do motoru a druhý průtokoměr měří
množství paliva, které se vrací zpět do nádrže (obr. 8.). Hlavní
parametry průtokoměru M2ASP-1R jsou:
- maximální průtok: 500 l/h
- rozlišení: 400 pulsů/l
- chyba měření: 1%
Emise byly měřeny kombinací tří přístrojů, z nichž největší podíl ležel na analyzátoru Atal AT 505 (CO, CO2, HC, O2,
teplota vzduchu). Další byl Atal AT 600, který měřil kouřivost a teplotu nafty. Posledním byl přístroj
Asin FG34, který měřil NO a jako kontrolní CO, CO2, O2.
Obr. 4. Grafické znázornění testu NRSC
Atal AT 505
složka – rozlišení – přesnost
CO – 0,01 % vol – 0,03 % vol nebo 5 % ČH
CO2 – 0,1 % vol – 0,5 % vol nebo 5 % ČH
HC – 1 ppm vol – 10 ppm vol nebo 5 % ČH
O2 – 0,01 % vol – 0,1 % vol nebo 5 % ČH
teplota – 1 °C – 2°C (ČH – čtená hodnota)
Obr. 5. Grafické znázornění testu ESC
Atal AT 600
složka – rozlišení - přesnost
·
opacita – 0,1 % – 2 %
teplota – 1 °C – 2°C
2
AGRITECH SCIENCE, 10´
Asin FG34
složka – rozlišení – rozsah (přetížení)
NO – 1 ppm – 1000 ppm (4000 ppm)
Obr. 10. Body pro stanovení veličinových ploch
(vypočtené)
Aby bylo možné hodnoty naměřené analyzátory přepočítat z procentních do hmotnostních jednotek, byla použita
bezeztrátová dýza pro měření množství nasávaného vzduchu.
Pro vytvoření veličinových ploch bylo zvoleno 25 měřících bodů. Na obrázku 9. jsou fialovou barvou znázorněny
body, které byly pro měření zvoleny podle tabulkových
údajů motoru. Modrou barvou jsou znázorněny body, které byly skutečně naměřeny a z nich byly tvořeny veličinové plochy. Hnědé body sloužily jako kontrolní v oblasti
největšího točivého momentu pro matematicky vytvořenou veličinovou plochu.
Z takto vytvořených veličinových ploch byly vytvořeny jednotlivé matice bodů 41x41 (1681 bodů) určené pro
další výpočetní zpracování (obr. 10.).
Obr. 7. Dynamometr AW NEB 400
Výsledky
Obr. 8. Palivoměr Macnaught MSeries
FlowMeter M2ASP-1R
Podle popsané metodiky byly vytvořeny všechny veličinové plochy, které jsou porovnávány a to spotřeba paliva, oxid uhelnatý (CO), oxid uhlièitý (CO2), uhlovodíky (HC),
oxid dusnatý (NO) a pevné částice. Na obrázku číslo 11
jsou znázorněny veličinové plochy spotřeby paliva, oxidu
dusnatého (NO) a pevných částic, které jsou hlavními nebezpečnými složkami, pro traktory Zetor Forterra 8641, Case
IH JX 90 a Fendt Farmer 412 Vario.
Výsledné údaje o produkci emisních složek a spotřeby
paliva během jednotlivých bodových testů NRSC, ESC a
EHK 49 jsou stanoveny výpočtem z naměřených veličinových ploch podle níže uvedeného postupu. Na základě
údajů o otáčkách a točivém momentu je podle odpovídající
normy připravena 8-bodová e8 (1, 2) nebo 13-bodová matice e13. Postup a jednotlivé vztahy jsou představeny na
testu NRSC (8-bodový test). V prvním sloupci matice e8
jsou příslušné otáčky (e8)i,0, ve druhém sloupci je příslušné
zatížení motoru (e8)i,1 a ve třetím sloupci je váhový faktor
(e8)i,2.
Obr. 9. Body pro stanovení veličinových ploch
(měřené)
3
AGRITECH SCIENCE, 10´
Zetor Forterra 8641
Case IH JX 90
Fendt Farmer 412 Vario
Obr. 11. Veličinové plochy spotřeby paliva, oxidu dusnatého (NO) a pevných částic (x-ová osa jsou otáčky
motoru (1/min) a y-ová osa je točivý moment motoru v Nm)
Matice o 1681 bodech je pomocí funkce (3) proložena
tak, aby v jakémkoliv bodě byla známa konkrétní zpracová(3)
vaná veličina. Plocha je matice o 1681 bodech, PlochaXY
udává souřadnice otáček om a točivého momentu TM.
Funkce interp a cspline spolu vytvoří spojitou veličinoVlastní výpočet měrné produkce emisí a spotřeby paliva
vou plochu Plocha(om,TM).
pak probíhá v několika krocích:
e8
e8
"x (ot/min)"
"ye (Nm)."
"w"
nj
1 Mj
0.15
nj
0.75 M j
0.15
nj
0.5 M j
0.15
nj
0.1 M j
0.10
nm
1 Mm
0.10
nm
0.75 M m
0.10
nm
0.5 M m
0.10
nv
"x (ot/min)"
0.000001
0.15
"ye (Nm)."
1. Výpočet (3) váženého průměru výkonu motoru P (kW
8
i
(1)
240
0.15
2200
180
0.15
2200
120
0.15
2200
24
0.1
1439
353
0.1
1439
264.75
0.1
1439
176.5
0.1
765
0
0.15
30000
1
( e8) i 2
(4)
2. Výpočet (4) váženého průměru produkce veličiny
GH (g/h)
8
GH
"w"
2200
( e8) i 0 ( e8) i 1
P
Plocha ( e8) i 0 ( e8) i 1 ( e8) i 2
i
(5)
1
3. Výpočet (5) měrné produkce konkrétní veličiny MS (g/
kWh)
(2)
4
AGRITECH SCIENCE, 10´
MS
Tab. 3. Výsledky testu EHK 49
GH
P
8
Plocha ( e8) i 0 ( e8) i 1 ( e8) i 2
MS
i
(6)
1
8
i
( e8) i 0 ( e8) i 1
1
30000
Veličina
( e8) i 2
Aplikováním vztahů (4-6) na jednotlivé veličinové plochy (CO, CO2, NOx, HC, PM a spotřebu paliva) a jejich úprava pro testy ESC a EHK 49 umožní získat výsledky, které
jsou zobrazeny v tabulce číslo 1, 2 a 3.
Vážený průměr měrné sledované
veličiny (g/kWh)
Fendt
Forterra
Case III
Vario
8641
Spotřeba
paliva
CO
CO2
310,5
243,8
350,7
17,747
1171
11,609
1047
6,045
1224
NOx
HC
PM
13,762
0,056
1,255
6,707
0,024
0,85
5,008
0,01
0,272
Tab. 1. Výsledky testu NRSC
Veličina
Spotřeba
paliva
CO
CO2
NOx
HC
PM
Vážený průměr měrné veličiny
(g/kWh)
Forterra
Fendt
Case III
8641
Vario
282,1
246,0
296,1
2,12
1099
1,291
1048
1,425
1034
10,353
0,057
0,623
7,74
0,022
0,188
5,029
0,012
0,188
Obr 12. Porovnání měrných hodnot traktorů Zetor
Forterra 8641, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 412
Vario v testu NRSC
Tab. 2. Výsledky testu ESC
Veličina
Spotřeba
paliva
CO
CO2
NOx
HC
PM
Vážený průměr měrné veličiny
(g/kWh)
Fendt
Forterra
Case III
Vario
8641
260,3
237,8
273,8
2,477
1025
1,537
1067
1,492
956,2
9,469
0,052
0,472
8,125
0,016
0,287
5,212
0,013
0,165
b)
Obr 13. Porovnání kumulovaných hodnot traktorů Zetor
Forterra 8641, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 412
Vario v testu NRSC
Pro traktory platí hodnocení formou NRSC cyklu, ale
z uvedeného postupu i výsledků je patrné, že lze volit libovolný test. Testy lze snadno připravit formou závislosti otáček a točivého momentu motoru a díky tomu lze v měřených
veličinových plochách snadno kumulovat vybranou veličinu.
V obrázku číslo 12 a 13 je grafické porovnání traktorů
Zetor Forterra 8641, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 412 Vario
v testu NRSC a to porovnání měrných hodnot veličin a
také v podobě kumulovaných hodnot veličin. Výsledek je
pak zobrazen procenticky z celkové sumy, která připadá pro
všechny traktory.
Nejlepším traktorem z pohledu měrných hodnot je ve
spotřebě paliva, emisích CO a pevných částicích Case IH
JX 90, v emisích CO2, NOx, HC a pevných částicích pak
Fendt Farmer 412 Vario. Z pohledu kumulovaných hodnot
veličin při testu NRSC byl ve spotřebě paliva a emisích CO2
nejlepší traktor Zetor Forterra 8641, v emisích CO a pevných částicích Case IH JX 90 a v emisích NOx a HC zvítězil
Fendt Farmer 412 Vario.
5
AGRITECH SCIENCE, 10´
Diskuse a závěr
and Fuel Consumption on HDVS. Eksploatacja i niezawodność, , (4(16)), s. 40 2002
[5] PEJŠA L., KADLEČEK B., PEXA M., HLADÍK, T.:
Cost 346, 2000 - 2004 - Metoda měření na volných válcích
pro testování emisí, spotřeby paliva a technického stavu
motorů nákladních automobilů, traktorů a speciálních vozidel. Česká zemědělská univerzita v Praze, Praha. Závěrečné
zprávy 2000 - 2004.
[6] PEXA M., KUBÍN K., NOVÁK M., POŠTA J. Fuel
consumption and emissions of tractor Zetor Forterra 8641.
Acta technologica agriculturae, , vol. 13, no. 2., Nitra, 2010
[7] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A
RADY 97/68/ES ze dne 16. prosince 1997 o sbližování právních předpisů členských států týkajících se opatření proti
emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze spalovacích motorů určených pro nesilniční pojízdné
stroje
[8] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A
RADY 2004/26/ES ze dne 21. dubna 2004, kterou se mění
směrnice 97/68/ES o sbližování právních předpisů členských
států týkajících se opatření proti emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze spalovacích motorů
určených pro nesilniční pojízdné stroje
[9] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A
RADY 2000/25/ES ze dne 22. května 2000 o opatřeních proti
emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic z motorů používaných k pohonu zemědělských a lesnických traktorů, kterou se mění směrnice Rady 74/150/EHS
[10] SMĚRNICE KOMISE 2005/13/ES ze dne 21. února
2005, kterou se mění směrnice Evropského parlamentu a
Rady 2000/25/ES týkající se emisí plynných znečišťujících
látek a znečišťujících částic z motorů používaných k pohonu zemědělských a lesnických traktorů a kterou se mění
příloha I směrnice Evropského parlamentu a Rady 2003/37/
ES týkající se schvalování typu zemědělských a lesnických
traktorů
[11] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A
RADY č. 1999/96/ES o sbližování právních předpisů členských států týkajících se opatření proti emisím plynných
znečišťujících látek a znečišťujících částic ze vznětových
motorů vozidel a emisí plynných znečišťujících látek ze zážehových motorů vozidel poháněných zemním plynem nebo
zkapalněným ropným plynem a o změně směrnice Rady č.
88/77/EHS, ve znění pozdějších úprav.
[12] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A
RADY 2005/55/ES ze dne 28. září 2005 o sbližování právních předpisů členských států týkajících se opatření proti
emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze vznětových motorů vozidel a emisím plynných znečišťujících látek ze zážehových motorů vozidel poháněných
zemním plynem nebo zkapalněným ropným plynem
[13] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A
RADY 96/1/ES ze dne 22. ledna 1996 měnící a doplňující
směrnici Rady 88/77/EHS o sblížení právních předpisů členských států, týkající se opatření, které mají být přijaté proti
emisím plynných škodlivin z dieselových motorů určených
pro vozidla
Porovnání traktorů Zetor Forterra 8641, Case IH JX 90 a
Fendt Farmer 412 Vario je provedeno na základě modelování homologačních testů a to testu NRSC, ESC a EHK 49.
Modelování je umožněna tím, že jsou měřeny veličinové
plochy (spotřeby paliva, oxidu uhelnatého (CO), oxidu uhličitého (CO2), uhlovodíků (HC), oxidu dusnatého (NO) a
pevných částic)
K získání veličinových ploch je možné použít jakéhokoliv dynamometru a pokud není dynamometr lze s úspěchem
použít kvazistatickou metodu měření na volných válcích
jak bylo prokázáno v grantových projektech COST 346
„Metoda měření na volných válcích pro testování emisí,
spotřeby paliva a technického stavu motorů nákladních
automobilů, traktorů a speciálních vozidel“. Při tomto druhu měření je střídána plná a nulová dodávka paliva
v předvoleném pásmu otáček. Během střídání se relativně
ustálí všechny vstupy a výstupy z motoru. Ty lze pak měřit
běžnými přístroji.
Z tabulek číslo 1, 2 a 3 a z obrázků číslo 12 a 13 je zřejmé,
že nejčastěji byl vítězem traktor Fendt Farmer 412 Vario, což
bylo možné předpokládat s ohledem na výši techniky, která
byla v traktoru implementována a byl tedy svou konstrukcí
nejmladší.
Plochy lze využít mnoha způsoby. S jejich pomocí lze
výpočetní technikou modelovat libovolný jízdní cyklus
(NRSC, ESC a EHK 49). Případně lze také modelovým výpočtem vyřešit libovolnou pracovní operaci (například orba
traktoru na poli apod.) zvolené soupravy a určit pro tuto
operaci emisní, exploatační a energetické parametry.
Neméně zajímavá je možnost využít těchto ploch
v porovnání několika pracovních a dopravních souprav
(eventuálně jiné zemědělské techniky se spalovacím motorem) na předem popsaných pozemcích zájemce a tímto porovnáním nakonec doporučit soupravu, která nejlépe splní
všechny podmínky při nejmenší spotřebě paliva a také při
nejmenší produkci škodlivých výfukových plynů
Poděkování
Příspěvek je vytvořen s grantovou podporou projektu
CZU 31190 / 1312 / 3139 (Česká zemědělská univerzita
v Praze) – Porovnání vlivu biopaliv na emise a spotřebu
paliva u NRSC testu traktoru.
Literatura
[1] BAUER F., SEDLÁK P., ŠMERDA T.: Traktory. Profi
Press, Praha, 2006
[2] DRABANT Š., TKÁČ Z., ABRAHÁM R., JABLONICKÝ J., KOLLÁROVÁ K.: Energy testing of a Fendt 926
Vario Tractor. Acta technologica agricuturae – 2006/4, Nitra, 2006.
[3] HROMÁDKO J., HÖNIG V., MILER P., HROMÁDKO J., ŠTĚRBA P.: Možnost alternativního způsobu měření
měrné spotřeby paliva spalovacích motorů. Agritech
science, 2009/3, Praha, 2009
[4] KADLEČEK B., PEJŠA L., PEXA M., 2002: Virtual
Vehicle - Driving Cycle Aplication for Measuring Emission
6
AGRITECH SCIENCE, 10´
[14] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A
RADY, kterou se mění směrnice 88/77/EHS o sblížení právních předpisů členských států, týkající se opatření, které
mají být přijaté proti emisím plynných škodlivin
z dieselových motorů určených pro vozidla
Abstrakt:
Znalost spotřeby paliva a jednotlivých emisních složek u zvolených energetických prostředků za různých provozních
režimů je vhodná pro odhad jejich chování (modelování). Na základě ploch emisních a spotřeby paliva lze simulovat
libovolné jízdní cykly a předpovídat produkce jednotlivých složek za skutečného provozu. V článku je popsán způsob
měření (laboratorní zatížení traktoru bylo provedeno hydraulickým dynamometrem připojeným přes zadní vývodový hřídel
traktoru) a ve výsledcích jsou uvedeny naměřené a vypočtené plochy pro traktory Zetor Forterra 8641, Case IH JX 90 a
Fendt Farmer 412 Vario. Plochy jsou uvedeny pro spotřebu paliva, oxid dusnatý (NO) a pevné částice. Na plochy je posléze
aplikován model NRSC, ESC a EHK 49 bodového testu.
Klíčová slova: emisní charakteristiky motoru, modelování jízdních cyklů, životní prostředí
Kontaktní adresa:
Ing. Martin Pexa
Česká zemědělská univerzit
Technická fakulta
Katedra jakosti a spolehlivosti strojů,
Kamýcká 129,
165 21 Praha 6 – Suchdol
tel: 224 383 278
[email protected]
7