ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTU POJAZDÓW 1(92)/213 Zdzisław Chłopek 1, Jacek Biedrzycki 2, Jakub Lasocki 3, Piotr Wójcik 4 EMISJA ZANIECZYSZCZEŃ Z SILNIKA SAMOCHODU W TESTACH JEZDNYCH SYMULUJĄCYCH RZECZYWISTE UŻYTKOWANIE TRAKCYJNE 1. Wstęp Badania emisji zanieczyszczeń na hamowni podwoziowej odgrywają kluczową rolę w procedurach homologacyjnych i kontrolnych samochodów osobowych i lekkich samochodów ciężarowych w większości państw rozwiniętych gospodarczo. Zazwyczaj badania tego typu prowadzi się w warunkach zdefiniowanych przez właściwe przepisy prawne z wykorzystaniem standardowych testów jezdnych, symulujących rzeczywiste użytkowanie samochodów. Takie podejście ma wiele zalet: jednakowe, stałe parametry badań stanowiskowych zapewniają porównywalność i weryfikowalność wyników uzyskiwanych przez różne podmioty, procedury badań są uznawane i powszechnie stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, stanowiąc istotne źródło informacji w procesie projektowania nowych pojazdów. W Unii Europejskiej pojazdy lekkie (o masie odniesienia nieprzekraczającej 261 kg) bada się w standardowym teście jezdnym (New European Driving Cycle nowy europejski test jezdny) składającym się z testu miejskiego (Urban Driving Cycle miejski test jezdny) oraz pozamiejskiego (Extra Urban Driving Cycle pozamiejski test jezdny). W Stanach Zjednoczonych Ameryki do oceny ekologicznych właściwości samochodów osobowych i dostawczych stosuje się test (Federal Transient Procedure federalna procedura dynamiczna), zaś do oceny zużycia paliwa test (Highway Federal Extra federalny test dużych prędkości). W Japonii standardowym testem jezdnym wykorzystywanym w procedurach homologacyjnych jest Japan 1 15 Mode. Istnieją także specjalne testy jezdne, których celem jest rozszerzenie zakresu warunków pracy silników samochodowych. Należy do nich test symulujący ruch pojazdu w warunkach zatłoczonych ulic oraz test, reprezentujący jazdę na autostradzie, charakteryzujący się bardzo dużym obciążeniem silnika i dużymi prędkościami jazdy [1]. W rzeczywistych warunkach użytkowania pojazdu różnorodność warunków pracy silników spalinowych jest znacznie większa niż w wypadku powszechnie stosowanych testów jezdnych. Właściwości użytkowe silników samochodowych są bowiem wrażliwe na warunki ich pracy, szczególnie na występowanie stanów dynamicznych [1]. Z tego powodu badania samochodów wykonywane w laboratoriach przy użyciu standardowych 1 Prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów. 2 Mgr inż. Jacek Biedrzycki, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Pracownia Silników i Podwozi. 3 Mgr inż. Jakub Lasocki, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Pracownia Silników i Podwozi, doktorant Politechniki Warszawskiej, Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytutu Pojazdów. 4 Mgr inż. Piotr Wójcik, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Pracownia Silników i Podwozi, doktorant Politechniki Warszawskiej, Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytutu Pojazdów. 67

2 testów jezdnych mogą nie odzwierciedlać z zadowalającą dokładnością rzeczywistego użytkowania pojazdu. Tezę tę potwierdzają wyniki badań pojazdów w warunkach normalnego ruchu drogowego, prowadzone na drogach publicznych z wykorzystaniem mobilnych analizatorów spalin PEMS (Portable Emissions Measurement Systems). Opublikowane prace, np. [2, 3] ujawniają znaczące różnice między wartościami emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa otrzymywanymi w badaniach drogowych i w standardowych testach jezdnych. Niestety pomiary w warunkach ruchu drogowego z oczywistych względów charakteryzują się niepowtarzalnością i są obarczone dużą niepewnością [4, 5]. Problemem jest brak możliwości ponownego odtworzenia warunków ruchu pojazdu i warunków atmosferycznych, które zaistniały podczas badań. Traktuje się je zatem jako przypadkowe [6]. W niniejszej pracy zaproponowano testy jezdne reprezentujące warunki typowego użytkowania pojazdów samochodowych w Polsce. Umożliwiają one symulację ruchu samochodu w warunkach pseudoprzypadkowych, odpowiadających rzeczywistemu użytkowaniu. y jezdne opracowano na podstawie analizy wyników badań empirycznych ruchu samochodu osobowego prowadzonych w ramach realizacji w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji w Warszawie projektu pt. Wrażliwość emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa na warunki użytkowania trakcyjnego silnika spalinowego o zapłonie iskrowym finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. Przedstawiono i porównano wyniki badań emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa otrzymane z wykorzystaniem opracowanych testów jezdnych oraz wybranych testów homologacyjnych i testów specjalnych. 2. Badania empiryczne ruchu samochodu w warunkach trakcyjnych Obiektem badań był samochód Honda Civic wyprodukowany w 2 r. z czterocylindrowym, rzędowym silnikiem o zapłonie iskrowym o objętości skokowej 14 cm 3. Silnik ten spełnia wymagania emisji zanieczyszczeń na poziomie Euro 3. Badania wykonywano na terenie województw mazowieckiego i łódzkiego. W czasie rzeczywistego ruchu pojazdu dokonywano pomiarów: prędkości obrotowej silnika, sterowania silnika, prędkości pojazdu i jego położenia. Przebiegi tych wielkości były rejestrowane z częstotliwością 1 Hz. Przykładowy fragment trasy przejazdu wraz z graficzną interpretacją prędkości samochodu przedstawiono na rysunku 1. 68

3 v [km/h] Rys. 1. Fragment trasy przejazdu samochodu do Przemysłowego Instytutu Motoryzacji wraz z graficzną interpretacją jego prędkości Warunki ruchu samochodu modelowano w postaci jazdy: w zatorach ulicznych w miastach, w miastach bez zatorów ulicznych, poza miastami, na trasach szybkiego ruchu HT. W poszczególnych warunkach uzyskano próby prędkości pojazdu o licznościach: 38 w zatorach ulicznych w miastach, 68 w miastach bez zatorów ulicznych, 32 poza miastami, 16 na trasach szybkiego ruchu. Na podstawie analiz wyników badań empirycznych prędkości samochodu zaproponowano testy jezdne do celów badań prowadzonych na hamowni podwoziowej, symulujące jazdę w zatorach ulicznych (kongestiach), w miastach, poza miastami i na trasach szybkiego ruchu. y te opracowano zgodnie z kryterium wiernej symulacji w dziedzinie czasu [1]. W tym celu wybrano z zarejestrowanych przebiegów prędkości samochodu fragmenty, dla których wartość średnia i odchylenie standardowe mają wartości zbliżone dla wartości wyznaczonych dla wszystkich zbiorów. Wyznaczono po cztery testy dla poszczególnych modeli ruchu, traktując te testy jako realizacje procesów stochastycznych prędkości dla tych modeli. Na rysunkach 2 5 przedstawiono wybrane przebiegi prędkości jazdy samochodu w poszczególnych modelach ruchu t [s] Rys. 2. y jazdy w zatorach ulicznych 69

4 v [km/h] v [km/h] v [km/h] t [s] Rys. 3. y jazdy w mieście t [s] Rys. 4. y jazdy poza miastami Rys. 5. y jazdy na trasach szybkiego ruchu HT 3. Wyniki badań emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa w testach jezdnych Badania emisji drogowej zanieczyszczeń i eksploatacyjnego zużycia paliwa przeprowadzono w Pracowni Silników i Podwozi Przemysłowego Instytutu Motoryzacji. Laboratorium jest wyposażone w hamownię podwoziową typu EMDY 48 firmy Schenck Komeg z jedną rolką o średnicy 48, analizator spalin MEXA 72 firmy Horiba oraz dymomierz Opacimetr AVL 439 G3. Do wyznaczania natężenia emisji cząstek stałych wykorzystano metodę korelacyjną badania cząstek stałych na podstawie badań zaciemnienia spalin. Zgodnie z nią natężenie 7 t [s]

5 emisji cząstek stałych jest wprost proporcjonalne do natężenia przepływu spalin oraz rosnącej funkcji współczynnika ekstynkcji promieniowania świetlnego przez spaliny, wyznaczanego przy użyciu dymomierza [4]. Obiekt badań stanowił samochód marki Honda Civic, wykorzystywany uprzednio do badań ruchu w warunkach trakcyjnych. W badaniach wykorzystano testy opracowane w PIMOT,,, HT, testy homologacyjne,,,,, Japan 1 15 Mode, oraz testy specjalne i. Na rysunkach 6 11 przedstawiono emisję drogową zanieczyszczeń i eksploatacyjne zużycie paliwa w poszczególnych testach. HT Japan 1 15 Mode b CO [g/km] Rys. 6. Zestawienie wyników badań emisji drogowej tlenku węgla w testach HT Japan 1 15 Mode,5 1 1,5 2 2,5 b HC [g/km] Rys. 7. Zestawienie wyników badań emisji drogowej węglowodorów w testach 71

6 HT Japan 1 15 Mode,5,1,15,2,25,3,35,4,45 b NOx [g/km] Rys. 8. Zestawienie wyników badań emisji drogowej tlenków azotu w testach HT Japan 1 15 Mode,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5 b PM [g/km] Rys. 9. Zestawienie wyników badań emisji drogowej cząstek stałych w testach HT Japan 1 15 Mode b CO2 [g/km] Rys. 1. Zestawienie wyników badań emisji drogowej dwutlenku węgla w testach 72

7 b HC [g/km] b CO [g/km] HT Japan 1 15 Mode Q [dm 3 /1 km] Rys. 11. Zestawienie wyników badań eksploatacyjnego zużycia paliwa w testach Na podstawie wyników badań w opracowanych testach oraz w testach homologacyjnych i specjalnych wyznaczono charakterystyki emisji drogowej zanieczyszczeń i eksploatacyjnego zużycia paliwa w zależności od prędkości średniej samochodu. Przedstawiono je na rysunkach Punkty na wykresach odpowiadają poszczególnym testom: homologacyjnym, specjalnym oraz testom PIMOT Rys. 12. Zależność emisji drogowej tlenku węgla w testach jezdnych od prędkości 2,5 2 1,5 1, Rys. 13. Zależność emisji drogowej węglowodorów w testach jezdnych od prędkości 73

8 b CO2 [g/km] b PM [g/km] b NOx [g/km],5,4,3,2, Rys. 14. Zależność emisji drogowej tlenków azotu w testach jezdnych od prędkości,5,4,3,2, Rys. 15. Zależność emisji drogowej cząstek stałych w testach jezdnych od prędkości Rys. 16. Zależność emisji drogowej dwutlenku węgla w testach jezdnych od prędkości 74

9 Q [dm 3 /1 km] Rys. 17. Zależność eksploatacyjnego zużycia paliwa w testach jezdnych od prędkości 4. Wnioski Przedstawione w niniejszym artykule rozważania i wyniki badań pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: 1. Na podstawie wyników badań empirycznych jazdy samochodu osobowego opracowano zgodnie z kryterium symulacji w dziedzinie czasu testy odpowiadające jeździe samochodu osobowego w zatorach ulicznych w miastach, w miastach bez zatorów ulicznych, poza miastami oraz na trasach szybkiego ruchu. 2. Wyniki badań emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa w opracowanych testach oraz w testach homologacyjnych i specjalnych, modelujących szeroki zakres użytkowania samochodu, potwierdzają dużą wrażliwość badanych właściwości na warunki użytkowania pojazdu. 3. Charakterystyki emisji drogowej zanieczyszczeń i eksploatacyjnego zużycia paliwa w zależności od prędkości średniej, wyznaczone na podstawie wyników badań w opracowanych testach oraz w testach homologacyjnych i specjalnych, wykazują regularność potwierdzającą prawidłowość opracowania testów symulujących użytkowanie samochodu osobowego. Literatura: [1] Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria Mechanika z Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa [2] Merkisz J.: Real Road s Exhaust Emission Results from Passenger Cars. Journal of KONES Powertrain and Transport. 211, z [3] Weiss M. et al..: Analyzing on road Emissions of Light duty Vehicles with Portable Emission Measurement Systems (PEMS). Luxembourg 211 Publications Office of the European Union. [4] Merkisz J., Barczak A., Pielecha J.: Badanie zmienności emisji zanieczyszczeń z zastosowaniem metody PCA. Logistyka. 3/ [5] Johnson K. et al.: On Road Evaluation of a PEMS for Measuring Gaseous In Use Emissions from a Heavy Duty Diesel Vehicle. SAE Technical Paper Series

10 [6] Chłopek Z.: The research of the probabilistic characteristics of exhaust emissions from vehicle engines. Silniki Spalinowe Combustion Engines, 1/ Streszczenie Do badań emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa przez samochody osobowe wykorzystuje się testy jezdne wykonywane na hamowni podwoziowej. W rzeczywistych warunkach użytkowania pojazdów różnorodność warunków pracy silników spalinowych jest znacznie większa niż w wypadku powszechnie stosowanych testów. W pracy zaproponowano testy jezdne symulujące typowe użytkowanie samochodu w Polsce. Opracowano je na podstawie analiz procesów prędkości samochodów uzyskanych w badaniach empirycznych przeprowadzonych w ruchu drogowym. Zarejestrowane przebiegi prędkości potraktowano jako realizacje procesów stochastycznych. W przyjętych modelach ruchu wyodrębniono warunki użytkowania samochodu w zatorach ulicznych, w miastach, poza miastami i na trasach szybkiego ruchu. Przedstawiono wyniki badań emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa uzyskane z zastosowaniem zaproponowanych testów jezdnych. Porównano je z wynikami badań w standardowych i specjalnych testach jezdnych. Słowa kluczowe: emisja zanieczyszczeń, testy jezdne, symulacja warunków ruchu samochodów. POLLANT EMISSIONS FROM COMBUSTION ENGINE OF MOTOR VEHICLE TESTED IN DRIVING CYCLES SIMULATING REAL WORLD DRIVING CONDITIONS Abstract For testing pollutant emissions and fuel consumption of passenger cars driving cycles performed on a chassis dynamometer are used. In the real world operating conditions of vehicles the variety of working conditions of internal combustion engines is much larger than in the commonly used driving cycles. In this paper special driving cycles simulating typical operation of a car in Poland have been proposed. They have been developed on the basis of the analysis of vehicle speed processes obtained in empirical tests carried out on the road. Recorded speed profiles were treated as realizations of stochastic processes. In adopted vehicle traffic models the conditions of car operation in traffic congestions, urban areas, extra urban areas and on highways were distinguished. The results of the tests of pollutant emissions and fuel consumption obtained using the proposed test cycles have been presented. They were compared with the results of the standard and special driving cycles. Keywords: pollutant emissions, driving cycles, simulation of real world driving conditions. 76