SEKO Brno – výsledky vývoje měřicích a zkušebních zařízení

Úvodní společné projekty firem SEKO Brno a CDV v oboru měření emisí motorových vozidel v letech 2009 až 2014

Firma SEKO Brno se zabývá především autorizovaným měřením emisí na průmyslových zdrojích. Zkušenosti v tomto oboru nám otevřely zajímavou spolupráci s Centrem dopravního výzkumu (www.CDV.cz). To je renomovaná vědeckovýzkumná organizace působící v oblasti rozvoje dopravy, dopravní infrastruktury, dopravního inženýrství, bezpečnosti v dopravě, dopadu dopravy na životní prostředí atd. Naše spolupráce se týká projektů, které souvisí s výzkumným měřením emisí motorových vozidel. Zde aplikujeme své zkušenosti z klasického emisního měření na speciální podmínky dané provozem spalovacích motorů. Pro některé projekty vyvíjíme i unikátní měřicí zařízení.

Spolupráce s CDV se datuje od roku 2009. Prvním projektem byla spoluúčast na měření dieselových motorů TATRA a Land Rover ve zkušebně vybavené brzdovou stolicí s vířivým dynamometrem.

Hlavním cílem bylo získání charakteristik motorů a určení jejich opotřebení v různých fázích životnosti motorů. Byla také provedena studie vlivu palivového aditiva Envirox s obsahem nanočástic céru na spotřebu paliva a na opotřebení motoru. Projekt je evidován pod číslem OVUOFEM200902, jehož poskytovatelem bylo Ministerstvo obrany ČR. Firma SEKO Brno při všech těchto projektech zajišťovala související emisní měření v rozsahu CO, NO_x, SO₂, C_xH_y a doprovodného O₂. Koncentraci tuhých částic jsme stanovovali gravimetrickou metodou při izokinetickém odběru vzorku spalin. Všechna měření probíhala ve zkušebně při různých provozních režimech motoru, ale vždy až tehdy, když se dosáhlo ustáleného provozního stavu. Proto, i co se týká dynamiky změn průtoku spalin, se dala takováto měření srovnat s klasickým měřením emisí průmyslových zdrojů a více méně se mohlo měřit standardními aparaturami a metodikami.

Dalším projektem, evidován opět pod č. OVUOFEM200902, bylo měření emisí obrněného vozidla DINGO při jízdě v terénu. Požadavky zadavatele úkolu na přesnost měření nebyly v tomto případě vysoké. Vystačilo se s použitím analyzátorů s elektrochemickými převodníky CO, NO, NO₂ a O₂. Přístroje byly volně položeny na sedadlech v kabině testovaného vozidla.

Bylo však třeba zvládnout odběry vzorku spalin z výfuku a měření průtoku spalin při průjezdu vozidla terénem ve vojenském výcvikovém prostoru. Při tomto projektu naše firma získala první zkušenosti s technikou měření emisí za jízdy.

Cílem třetího projektu bylo vyvinout prototyp měřicího zařízení, které by bylo schopno měřit emise pro výzkumné účely v podmínkách silničního provozu. Už tehdy tento výzkum byl a dosud zůstává velice aktuální. Ukazuje se totiž, že emisní obraz skutečného provozu motorových vozidel založený na dosavadních metodách měření emisí dostatečně nezohledňuje dynamické změny provozu spalovacích motorů, a proto už nestačí k objektivnímu emisnímu popisu jízdy vozidla. Přitom takováto měření jsou potřebná jak k vědeckým či technickým účelům, tak i k nastavení homologačních a legislativních pravidel mezi výrobci automobilů a státní správou na národní či mezinárodní úrovni.

Ve světě není mnoho vývojových týmů zabývajících se realizací zmíněného typu měření. Dalo by se také říci, že vývoj metodiky i techniky měření této oblasti zatím není dokončen. Ale již dosud zveřejněné studie využívající výsledky emisního měření za jízdy ukazují, že přínos výsledků měření je významný. V budoucnu se zřejmě žádné vědeckovýzkumné práce z technické či medicínské oblasti nebo z oboru životního prostředí neobejdou bez výsledků získaných na základě analýzy vzorků spalin, které obsahují i významný počet přechodových režimů motorů při akceleracích či jízdě automobilu v kolonách. Nejvíce reálně, a v podstatě i nejekonomičtěji, se takovéto vzorky spalin samozřejmě získávají přímo z testovaného automobilu jedoucího ve skutečném silničním provozu.

Jedním z technických problémů měření emisí za jízdy je dosud nejednoznačně vyřešená otázka reprezentativního odběru vzorku spalin. Z literatury je známo více postupů k získání vzorku spalin z výfuku jedoucího automobilu. Od jednoduchých sond zavedených přímo do výfuku přes sondy s ředicím systémem až po monitorování výfukových plynů imisním měřicím systémem, který je instalovaný na doprovodném měřicím vozidle jedoucím v „oblaku“ výfukových plynů těsně za testovaným automobilem.

Firmu SEKO Brno hned po seznámení se s problematikou zaujalo, že se na rozdíl od vzorkování na
klasických průmyslových zdrojích při měření emisí automobilů neklade důraz na izokinetický odběr vzorku spalin. A to především u vzorkování prachu, neboli přesněji tuhých znečišťujících látek (TZL) ve spalinách. Po rozboru problému se řešitelský tým rozhodl vyvinout měřicí aparaturu, která by zajišťovala zmíněné izokinetické vzorkování spalin. Vlastní realizace úkolu byla obtížným, ale i zajímavým problémem, neboť jízda vozidla v silničním provozu je charakterizována mimo jiné i velice proměnlivou polohou akceleračního pedálu. S tím jsou spojeny i rychlé a velké změny ve spotřebě paliva, v koncentraci a hmotnostních tocích emisí a samozřejmě i v průtocích spalin. Není výjimkou dosahovat během několika málo vteřin rozdíly průtoků spalin v poměru 1:50. Měřicí odběrové aparatury určené pro průmyslové zdroje emisí nejsou schopny v takovýchto dynamických podmínkách uskutečnit izokinetický odběr spalin. Úkolem naší firmy bylo proto vyvinout vyšší generaci odběrové aparatury vhodnou pro měření plynných a tuhých emisí jedoucího vozidla. Zadání aparatury se postupně rozšířilo i na požadavek, aby v podstatě stejnou aparaturou bylo možno měřit spalovací motory užívané v různých aplikacích. Doslova od lodí a lokomotiv přes nákladní a osobní automobily až po sekačky na trávu. A samozřejmě při použití všech možných typů paliv.

Na podzim roku 2010 byl dokončen první funkční vzorek mobilní odběrové emisní aparatury. Ta byla umístěna na přívěsném vozíku, který byl tažen měřeným vozidlem. Celá sestava včetně řídicích a regulačních prvků a elektrocentrály se proto začala nazývat e-vozík a toto byla 1. verze měřicího e-vozíku. Do něj byly přivedeny ohebnou kovovou hadicí o průměru 100 mm všechny výfukové plyny, které procházely přes celou délku e-vozíku vodorovným měřicím nástavcem, na jehož konci odcházely do ovzduší. Z nástavce se v příhodném místě pomocí sondy izokineticky odsával reprezentativní vzorek spalin procházející filtrem tuhých částic v hlavní vzorkovací větvi. Z té vedla ještě odbočka vedlejší větve, která obsahovala chladič a jímací vak vzorku spalin. Tedlarový odběrový vak byl umístěn v ochranném sudu. Řízeným odsáváním prostoru mezi vakem a sudem se vnitřní vak nafukoval a přibližně izokineticky odsával vzorek spalin do vedlejší vzorkovací větve. Přímo z měřicího nástavce se pomocí další odběrové
sondy odsával konstantní rychlostí vzorek do kontinuálního analyzátoru CO, NO_x, SO₂, C_xH_y a doprovodného O₂. Střední koncentrace prachových částic ve spalinách se určovala gravimetrickou metodou. Tzn. jako podíl zachycené hmotnosti částic na filtru v hlavní vzorkovací větvi a objemu izokineticky odsátého vzorku spalin. Přičemž naše aparatura umožňovala  měřit nejen střední koncentraci prachu za celou dobu měření, ale měřit jen vybrané provozní režimy. Např. význačné akcelerace. Podobně selektivně lze izokineticky odebírat vzorek spalin do vaků.

Celá měřicí aparatura byla umístěna ve vozíku na dřevěném rámu, jehož relevantní rozměry odpovídají typizované přepravní paletě. Tu, spolu s přístroji, by bylo možno vysokozdvižným vozíkem eventuálně přenést na dříve zmíněnou testovanou loď, lokomotivu či korbu nákladního automobilu. A v případě požadovaného testování sekačky na trávu by se paleta s přístroji vezla v paralelně jedoucím autě.

Technické řešení měřicího e-vozíku je chráněno užitným vzorem č. CZ 21385 pod názvem Mobilní zařízení pro odběr spalin z dopravních prostředků.

Úspěšné provozní testy e-vozíku rozhodly o dalším vývoji vozíku. Ten byl v letech 2012 až 2014 finančně podpořen Technologickou agenturou České republiky (TA ČR) v rámci projektu č.TA02030536.

Pro firmu SEKO Brno byl stěžejním řešitelským výstupem projektu TA ČR prototyp 2. verze měřicího e-vozíku. Ta zachovávala všechny možnosti měření první verze a přinesla řadu vylepšení. Od první verze e-vozíku se na první pohled lišilo umístění měřicího nástavce na výfukové plyny, který byl nově upevněn ve svislé poloze na kloubu oje přívěsného vozíku. Na výstupu spalin z nástavce do atmosféry byla umístěna izokinetická odběrová sonda (patent fy SEKO Brno č. CZ 304193). Byla také provedena řada dalších vylepšení týkající se kvality vzorkování spalin. Zlepšila se regulace odsávání vzorku spalin. Důsledněji byl vzorek veden vyhřívanými hadicemi a před vstupem do analyzátoru byl šokově vymražen v chladničce. Vlastní analyzátor CO, NO_x, SO₂, C_xH_y a O₂ byl převzat z původní verze měřicího e-vozíku. Po dokončení e-vozíku byla provedena řada testovacích jízd. Po jejich vyhodnocení bylo konstatováno, že aparatura splňuje záměry zadání a je jí možno využít pro vědecko-výzkumnou činnost i pro komerční účely.

Vlastní měřicí e-vozík je jako výsledek projektu TA ČR společným majetkem firem SEKO Brno a CDV.

První větší zakázka využívající výsledky e-vozíku byla uskutečněna na konci roku 2014, kdy se po dobu 8 dnů měřily jízdní cykly autobusů na pronajaté letištní ploše bývalého vojenského letiště Mimoň. Firma SEKO Brno zajišťovala v projektu č. TA02030831 emisní měření.

Po ukončení výše uvedených projektů TA ČR bylo naše technické řešení odběrové aparatury hodnoceno příznivě. Na rozdíl od ve světě používaných měřicích systémů umisťovaných přímo ve vozidle nebo zavěšených na testovaných vozidlech (viz převzatá fotografie), přenesl náš e-vozík měřicí přístroje do přívěsu. Jeho větší prostor umožnil rozšířit řadu základních přístrojů používaných v „běžných“ systémech (označovaných v současnosti jako PEMS – Portable Emission Measurement Systems) o další typy speciálních kontinuálních analyzátorů. Mimo tohoto typu měření náš systém umožňuje i izokineticky vzorkovat spaliny do 3 velkých vaků. Ty lze později v laboratoři velice podrobně analyzovat na přístrojích, kterými pro jejich citlivost není možno měřit za jízdy. Předpokladem pro tento způsob analýzy spalin je již zmíněné izokinetické vzorkování do vaků, protože jen to dává principiálně správné emisní hodnoty. Mnohé měřicí možnosti jsou u 2. verze e-vozíku oproti jiným systémům výjimečné. Na druhou stranu naše měřicí aparatura spotřebovává mnohem více elektrické energie. Proto musí být na e-vozíku umístěny dvě elektrocentrály. Ty dávají dostatek výkonu i na vyhřívání hadic tak, jak to na vedení vzorku spalin předepisují příslušné technické normy. Na připojení měřicího e-vozíku a upevnění svislého měřicího nástavce stačí běžné závěsné zařízení s kulovým čepem ISO 50. Polohu nástavce fixují vzpěry uchycené na universálním střešním nosiči.

Naměřená data získaná z vozíku jsou vyhodnocována pracovníky Centra dopravního výzkumu a byla již použita do výzkumných zpráv a studií. Taktéž byla prezentována na vědeckých fórech zaměřených na měření emisí v reálném provozu (Real Driving Emissions – RDE).

Budoucí využití měřicího e-vozíku je pro společnost SEKO Brno perspektivní především v návaznosti na pokračující spolupráci s Centrem dopravního výzkumu. Tato výzkumná organizace je dobře známa v odborných vědeckých kruzích, spolupracuje s výrobními podniky dopravních prostředků a se samosprávou měst, např. v oblasti vlivu městské hromadné dopravy na životní prostředí. To vše dává předpoklady na další vývoj a využívání měřicího e-vozíku.

 

Brno, květen 2015