Publikováno na stránkách www.vuzt.cz 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
