NRSC, ESC A EHK 49 TEST U ZETORU FORTERRA 64, CASE IH JX 90 A FENDT FARMER 42 VARIO NRSC, ESC AND EHK 49 TESTS FOR ZETOR FORTERRA 64, CASE IH JX 90 AND FENDT FARMER 42 VARIO Abstract Keywords: emsson engne characterstcs, smulaton of drvng cycles, envronment Úvod M. Pexa ), K.Kubín 2), M.Cndr ) Česká zemědělská unverzta Praha 2) Výzkumný ústav zemědělské technky, v.v.. The knowledge of fuel consumpton and emsson producton of energetc means workng n dfferent operatng modes s sutable for predctng ther behavor (modellng). Dfferent drvng cycles can be smulated based on the surfaces of fuel consumpton and emsson producton. The producton of ndvdual emsson component n actual operaton can be predcted as a result of smulatng cycle. In the artcle there s descrbed a method of measurement (laboratory load of tractor was carred out by means of hydraulc dynamometer attached to the tractor rear power take-off ). Measured and calculated surfaces for tractors Zetor Forterra 64, Case IH JX 90 and Fendt Farmer 42 Varo are ntroduced n the results. These surfaces show dependences of fuel consumpton, carbon monooxde (CO), carbon doxde (CO2), hydrocarbons (HC), doxde ntrogen (NO) and sold partcles on engne speed and torque. Models of NRSC, ESC and ECE 49 tests are then appled to the above surfaces. Dagnostce spalovacího motoru je třeba se průběžně věnovat, protože má zásadní vlv na ekonomckou a ekologckou stránku provozu. Většna závad na spalovacím motoru se projevuje zvýšenou spotřebou palva a tím také zhoršeným emsem. Kromě spotřeby palva a emsí je neméně důležté v zemědělském podnku zajstt spolehlvost charakterzovanou přípustným rzkem haváre. Spotřeba palva a emse spolu úzce souvsí (Bauer et al. 2006) a z určtých složek produkovaných emsí lze na základě emprckých vztahů vypočítat spotřebu palva dosaženou během kontrolního měření. Jak se však projeví výsledné zhoršení parametrů motoru ve skutečném provozu, je problematcké odhadovat. S použtím moderní počítačové techncky, lze provádět modelování (Kadleček et al. 2002), která na základě naměřených dat poskytne odhady o předpokládané spotřebě a produkc emsí za zvolených režmů (Pejša et al. 2000-2004). Daty, v případě spalovacího motoru, se myslí velčnové plochy spotřeby palva (Hromádko et al. 2009), oxdu uhelnatého (CO), oxdu uhlčtého (CO 2 ), uhlovodíků (HC), oxdu dusnatého (NO) a pevných částc. Se znalostí těchto velčnových ploch je možné pracovat dál a provádět výpočetní modelování tahové charakterstky traktoru, NRSC (Non-road steady cycle) cyklu (-bodový test), NRTC (Non-road transent cycle) cyklu a jakéhokolv jného jízdního cyklu (např. orba traktoru). To lze řešt pro konkrétní pracovní nebo dopravní soupravu, ale lze také mez sebou porovnat dva typu přípojného stroje a vybrat pro zemědělský podnk ten vhodnější, který splní pracovní požadavky, ale zároveň nabídne úsporu pohonných hmot a tím ušetří žvotní prostředí. Obr.. Měřený traktor Zetor Forterra 64 Obr. 2. Měřený traktor Case IH JX 90 Obr. 3. Měřený traktor Fendt Farmer 42 Varo
V následujících kaptolách je popsána možnost získání velčnových ploch (Pexa et al. 200) a ve výsledcích jsou modelovány bodové testy NRSC, ESC a EHK 49 (2005/3/ ES, 2000/25/ES, 2004/26/ES, 97/6/ES, 999/96/ES, 2005/55/ ES, 99/542/EHS, 96//ES) na traktorech Zetor Forterra 64, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 42 Varo (Drabant et al. 2006), které jsou vzájemně porovnávány. Test NRSC byl vyvnut pro homologační zkoušení motorů neslnčních vozdel. Oprot tomu testy EHK 49 a ESC byly vyvnuty a jsou aplkovány pro homologační zkoušení těžkých slnčních vozdel (nákladní automobly apod.). Přestože testy EHK 49 a ESC nejsou určeny pro zemědělské traktory je možno výsledky jejch modelového výpočtu aplkovat např. na traktory pracující v zemědělské dopravě, protože lze předpokládat, že jejch pracovní režm je relatvně blízký pracovnímu režmu nákladních automoblů. Obr. 6. Grafcké znázornění testu EHK 49 Materál a metody Obr. 4. Grafcké znázornění testu NRSC Obr. 5. Grafcké znázornění testu ESC K měřenému traktoru Zetor Forterra 64 byly postupně přpojeny měřící přístroje. Srdcem byl zatěžující hydraulcký dynamometr přpojený přes zadní vývodový hřídel traktoru s 540 otáčkam za mnutu (obr. 7.). Základní parametry použtého dynamometru AW NEB 400 jsou: - maxmální točvý moment vývodového hřídele: 250 Nm - maxmální otáčky vývodového hřídele: 3250 /mn - maxmální brzděný výkon: 343 kw - chyba měření: 2% Pro měření spotřeby palva byl použt palvový box (palvoměr), který obsahuje dva průtokoměry Macnaught MSeres FlowMeter M2ASP-R. Jeden průtokoměr měří množství palva dodávaného do motoru a druhý průtokoměr měří množství palva, které se vrací zpět do nádrže (obr..). Hlavní parametry průtokoměru M2ASP-R jsou: - maxmální průtok: 500 l/h - rozlšení: 400 pulsů/l - chyba měření: % Emse byly měřeny kombnací tří přístrojů, z nchž největší podíl ležel na analyzátoru Atal AT 505 (CO, CO 2, HC, O 2, teplota vzduchu). Další byl Atal AT 600, který měřl kouřvost a teplotu nafty. Posledním byl přístroj Asn FG34, který měřl NO a jako kontrolní CO, CO 2, O 2. Atal AT 505 složka rozlšení přesnost CO 0,0 % vol 0,03 % vol nebo 5 % ČH CO 2 0, % vol 0,5 % vol nebo 5 % ČH HC ppm vol 0 ppm vol nebo 5 % ČH O 2 0,0 % vol 0, % vol nebo 5 % ČH teplota C 2 C (ČH čtená hodnota) Atal AT 600 složka rozlšení - přesnost opacta 0, % 2 % teplota C 2 C 2
Asn FG34 složka rozlšení rozsah (přetížení) NO ppm 000 ppm (4000 ppm) Obr. 0. Body pro stanovení velčnových ploch (vypočtené) Obr. 7. Dynamometr AW NEB 400 Aby bylo možné hodnoty naměřené analyzátory přepočítat z procentních do hmotnostních jednotek, byla použta bezeztrátová dýza pro měření množství nasávaného vzduchu. Pro vytvoření velčnových ploch bylo zvoleno 25 měřících bodů. Na obrázku 9. jsou falovou barvou znázorněny body, které byly pro měření zvoleny podle tabulkových údajů motoru. Modrou barvou jsou znázorněny body, které byly skutečně naměřeny a z nch byly tvořeny velčnové plochy. Hnědé body sloužly jako kontrolní v oblast největšího točvého momentu pro matematcky vytvořenou velčnovou plochu. Z takto vytvořených velčnových ploch byly vytvořeny jednotlvé matce bodů 4x4 (6 bodů) určené pro další výpočetní zpracování (obr. 0.). Obr.. Palvoměr Macnaught MSeres FlowMeter M2ASP-R Obr. 9. Body pro stanovení velčnových ploch (měřené) Výsledky Podle popsané metodky byly vytvořeny všechny velčnové plochy, které jsou porovnávány a to spotřeba palv a, ), uhlovodíky (HC), 2 oxd dusnatý (NO) a pevné částce. Na obrázku číslo jsou znázorněny velčnové plochy spotřeby palva, oxdu dusnatého (NO) a pevných částc, které jsou hlavním nebezpečným složkam, pro traktory Zetor Forterra 64, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 42 Varo. Výsledné údaje o produkc emsních složek a spotřeby palva během jednotlvých bodových testů NRSC, ESC a EHK 49 jsou stanoveny výpočtem z naměřených velčnových ploch podle níže uvedeného postupu. Na základě údajů o otáčkách a točvém momentu je podle odpovídající normy přpravena -bodová e (, 2) nebo 3-bodová matce e3. Postup a jednotlvé vztahy jsou představeny na testu NRSC (-bodový test). V prvním sloupc matce e jsou příslušné otáčky (e),0, ve druhém sloupc je příslušné zatížení motoru (e), a ve třetím sloupc je váhový faktor (e),2. 3
Zetor Forterra 64 Case IH JX 90 Fendt Farmer 42 Varo Obr.. Velčnové plochy spotřeby palva, oxdu dusnatého (NO) a pevných částc (x-ová osa jsou otáčky motoru (/mn) a y-ová osa je točvý moment motoru v Nm) Matce o 6 bodech je pomocí funkce (3) proložena tak, aby v jakémkolv bodě byla známa konkrétní zpracovávaná velčna. Plocha je matce o 6 bodech, PlochaXY (3) udává souřadnce otáček om a točvého momentu TM. Funkce nterp a csplne spolu vytvoří spojtou velčnovou plochu Plocha(om,TM). pak probíhá v několka Vlastní výpočet měrné produkce emsí a spotřeby palva krocích: "x (ot/mn)" "ye (Nm)." M j "w". Výpočet (3) váženého průměru výkonu motoru P (kw e 0.75 M j 0.5 M j 0. M j 0.0 () P ( e) 30000 ( e) 2 (4) n m n m M m 0.75 M m 0.0 0.0 2. Výpočet (4) váženého průměru produkce velčny GH (g/h) n m 0.5 M m 0.0 n v "x (ot/mn)" 0.00000 "ye (Nm)." 240 "w" GH Plocha ( e) ( e) 2 (5) e 0 20 24 0. (2) 3. Výpočet (5) měrné produkce konkrétní velčny MS (g/ kwh) 439 353 0. 439 264.75 0. 439 76.5 0. 765 0 4
MS MS GH P Plocha ( e) ( e) 2 ( e) 30000 ( e) 2 (6) Aplkováním vztahů (4-6) na jednotlvé velčnové plochy (CO, CO 2, NO x, HC, PM a spotřebu palva) a jejch úprava pro testy ESC a EHK 49 umožní získat výsledky, které jsou zobrazeny v tabulce číslo, 2 a 3. Tab.. Výsledky testu NRSC Vážený průměr měrné velčny (g/kwh) Velčna Forterra Fendt Case III 64 Varo Spotřeba palva 22, 246,0 296, CO 2,2,29,425 CO 2 099 04 034 NO x 0,353 7,74 5,029 HC 0,057 0,022 0,02 PM 0,623 0, 0, Tab. 2. Výsledky testu ESC Vážený průměr měrné velčny (g/kwh) Velčna Forterra Fendt Case III 64 Varo Spotřeba palva 260,3 237, 273, CO 2,477,537,492 CO 2 025 067 956,2 NO x 9,469,25 5,22 HC 0,052 0,06 0,03 PM 0,472 0,27 0,65 Pro traktory platí hodnocení formou NRSC cyklu, ale z uvedeného postupu výsledků je patrné, že lze volt lbovolný test. Testy lze snadno přpravt formou závslost otáček a točvého momentu motoru a díky tomu lze v měřených velčnových plochách snadno kumulovat vybranou velčnu. V obrázku číslo 2 a 3 je grafcké porovnání traktorů Zetor Forterra 64, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 42 Varo v testu NRSC a to porovnání měrných hodnot velčn a také v podobě kumulovaných hodnot velčn. Výsledek je pak zobrazen procentcky z celkové sumy, která přpadá pro všechny traktory. Tab. 3. Výsledky testu EHK 49 Vážený průměr měrné sledované velčny (g/kwh) Velčna Forterra Fendt Case III 64 Varo Spotřeba palva 30,5 243, 350,7 CO 7,747,609 6,045 CO 2 7 047 224 NO x 3,762 6,707 5,00 HC 0,056 0,024 0,0 PM,255 0,5 0,272 Obr 2. Porovnání měrných hodnot traktorů Zetor Forterra 64, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 42 Varo v testu NRSC b) Obr 3. Porovnání kumulovaných hodnot traktorů Zetor Forterra 64, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 42 Varo v testu NRSC Nejlepším traktorem z pohledu měrných hodnot je ve spotřebě palva, emsích CO a pevných částcích Case IH JX 90, v emsích CO 2, NO x, HC a pevných částcích pak Fendt Farmer 42 Varo. Z pohledu kumulovaných hodnot velčn př testu NRSC byl ve spotřebě palva a emsích CO 2 nejlepší traktor Zetor Forterra 64, v emsích CO a pevných částcích Case IH JX 90 a v emsích NO x a HC zvítězl Fendt Farmer 42 Varo. 5
Dskuse a závěr Porovnání traktorů Zetor Forterra 64, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 42 Varo je provedeno na základě modelování homologačních testů a to testu NRSC, ESC a EHK 49. Modelování je umožněna tím, že jsou měřeny velčnové plochy (spotřeby palva, oxdu uhelnatého (CO), oxdu uhlčtého (CO 2 ), uhlovodíků (HC), oxdu dusnatého (NO) a pevných částc) K získání velčnových ploch je možné použít jakéhokolv dynamometru a pokud není dynamometr lze s úspěchem použít kvazstatckou metodu měření na volných válcích jak bylo prokázáno v grantových projektech COST 346 Metoda měření na volných válcích pro testování emsí, spotřeby palva a technckého stavu motorů nákladních automoblů, traktorů a specálních vozdel. Př tomto druhu měření je střídána plná a nulová dodávka palva v předvoleném pásmu otáček. Během střídání se relatvně ustálí všechny vstupy a výstupy z motoru. Ty lze pak měřt běžným přístroj. Z tabulek číslo, 2 a 3 a z obrázků číslo 2 a 3 je zřejmé, že nejčastěj byl vítězem traktor Fendt Farmer 42 Varo, což bylo možné předpokládat s ohledem na výš technky, která byla v traktoru mplementována a byl tedy svou konstrukcí nejmladší. Plochy lze využít mnoha způsoby. S jejch pomocí lze výpočetní technkou modelovat lbovolný jízdní cyklus (NRSC, ESC a EHK 49). Případně lze také modelovým výpočtem vyřešt lbovolnou pracovní operac (například orba traktoru na pol apod.) zvolené soupravy a určt pro tuto operac emsní, exploatační a energetcké parametry. Neméně zajímavá je možnost využít těchto ploch v porovnání několka pracovních a dopravních souprav (eventuálně jné zemědělské technky se spalovacím motorem) na předem popsaných pozemcích zájemce a tímto porovnáním nakonec doporučt soupravu, která nejlépe splní všechny podmínky př nejmenší spotřebě palva a také př nejmenší produkc škodlvých výfukových plynů Poděkování Příspěvek je vytvořen s grantovou podporou projektu CZU 390 / 32 / 339 (Česká zemědělská unverzta v Praze) Porovnání vlvu bopalv na emse a spotřebu palva u NRSC testu traktoru. Lteratura [] BAUER F., SEDLÁK P., ŠMERDA T.: Traktory. Prof Press, Praha, 2006 [2] DRABANT Š., TKÁČ Z., ABRAHÁM R., JABLO- NICKÝ J., KOLLÁROVÁ K.: Energy testng of a Fendt 926 Varo Tractor. Acta technologca agrcuturae 2006/4, Ntra, 2006. [3] HROMÁDKO J., HÖNIG V., MILER P., HROMÁD- KO J., ŠTĚRBA P.: Možnost alternatvního způsobu měření měrné spotřeby palva spalovacích motorů. Agrtech scence, 2009/3, Praha, 2009 [4] KADLEČEK B., PEJŠA L., PEXA M., 2002: Vrtual Vehcle - Drvng Cycle Aplcaton for Measurng Emsson and Fuel Consumpton on HDVS. Eksploatacja nezawodność,, (4(6)), s. 40 2002 [5] PEJŠA L., KADLEČEK B., PEXA M., HLADÍK, T.: Cost 346, 2000-2004 - Metoda měření na volných válcích pro testování emsí, spotřeby palva a technckého stavu motorů nákladních automoblů, traktorů a specálních vozdel. Česká zemědělská unverzta v Praze, Praha. Závěrečné zprávy 2000-2004. [6] PEXA M., KUBÍN K., NOVÁK M., POŠTA J. Fuel consumpton and emssons of tractor Zetor Forterra 64. Acta technologca agrculturae,, vol. 3, no. 2., Ntra, 200 [7] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 97/6/ES ze dne 6. prosnce 997 o sblžování právních předpsů členských států týkajících se opatření prot emsím plynných znečšťujících látek a znečšťujících částc ze spalovacích motorů určených pro neslnční pojízdné stroje [] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 2004/26/ES ze dne 2. dubna 2004, kterou se mění směrnce 97/6/ES o sblžování právních předpsů členských států týkajících se opatření prot emsím plynných znečšťujících látek a znečšťujících částc ze spalovacích motorů určených pro neslnční pojízdné stroje [9] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 2000/25/ES ze dne 22. května 2000 o opatřeních prot emsím plynných znečšťujících látek a znečšťujících částc z motorů používaných k pohonu zemědělských a lesnckých traktorů, kterou se mění směrnce Rady 74/50/EHS [0] SMĚRNICE KOMISE 2005/3/ES ze dne 2. února 2005, kterou se mění směrnce Evropského parlamentu a Rady 2000/25/ES týkající se emsí plynných znečšťujících látek a znečšťujících částc z motorů používaných k pohonu zemědělských a lesnckých traktorů a kterou se mění příloha I směrnce Evropského parlamentu a Rady 2003/37/ ES týkající se schvalování typu zemědělských a lesnckých traktorů [] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY č. 999/96/ES o sblžování právních předpsů členských států týkajících se opatření prot emsím plynných znečšťujících látek a znečšťujících částc ze vznětových motorů vozdel a emsí plynných znečšťujících látek ze zážehových motorů vozdel poháněných zemním plynem nebo zkapalněným ropným plynem a o změně směrnce Rady č. /77/EHS, ve znění pozdějších úprav. [2] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 2005/55/ES ze dne 2. září 2005 o sblžování právních předpsů členských států týkajících se opatření prot emsím plynných znečšťujících látek a znečšťujících částc ze vznětových motorů vozdel a emsím plynných znečšťujících látek ze zážehových motorů vozdel poháněných zemním plynem nebo zkapalněným ropným plynem [3] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 96//ES ze dne 22. ledna 996 měnící a doplňující směrnc Rady /77/EHS o sblížení právních předpsů členských států, týkající se opatření, které mají být přjaté prot emsím plynných škodlvn z deselových motorů určených pro vozdla 6
[4] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY, kterou se mění směrnce /77/EHS o sblížení právních předpsů členských států, týkající se opatření, které mají být přjaté prot emsím plynných škodlvn z deselových motorů určených pro vozdla Abstrakt: Znalost spotřeby palva a jednotlvých emsních složek u zvolených energetckých prostředků za různých provozních režmů je vhodná pro odhad jejch chování (modelování). Na základě ploch emsních a spotřeby palva lze smulovat lbovolné jízdní cykly a předpovídat produkce jednotlvých složek za skutečného provozu. V článku je popsán způsob měření (laboratorní zatížení traktoru bylo provedeno hydraulckým dynamometrem přpojeným přes zadní vývodový hřídel traktoru) a ve výsledcích jsou uvedeny naměřené a vypočtené plochy pro traktory Zetor Forterra 64, Case IH JX 90 a Fendt Farmer 42 Varo. Plochy jsou uvedeny pro spotřebu palva, oxd dusnatý (NO) a pevné částce. Na plochy je posléze aplkován model NRSC, ESC a EHK 49 bodového testu. Klíčová slova: emsní charakterstky motoru, modelování jízdních cyklů, žvotní prostředí Kontaktní adresa: Ing. Martn Pexa Česká zemědělská unverzt Techncká fakulta Katedra jakost a spolehlvost strojů, Kamýcká 29, 65 2 Praha 6 Suchdol tel: 224 33 27 pexa@tf.czu.cz 7