Jacek Pielecha 1, Jerzy Merkisz 2, Remigiusz Jasiński 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Arkadiusz Stojecki 4 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o. Analiza ekologiczna samochodów osobowych z silnikami benzynowymi i Diesla podczas drogowych testów emisyjnych 1. WSTĘP Od kilkunastu lat na świecie, a w tym i w Polsce, obserwuje się intensywne działania prawne, organizacyjne, naukowe i techniczne związane ze zmniejszeniem negatywnego oddziaływania środków transportu na środowisko naturalne człowieka. W dziedzinie tej odnotowane są też istotne, pozytywne skutki tych działań, co przekłada się korzystnie na stan ochrony naszego środowiska. Działanie takie obserwuje się również w odniesieniu do środków transportu, a szczególnie do stosowanych w nim silników spalinowych. Udział tego rodzaju silników w transporcie pozostaje znaczący, a negatywny wpływ samochodów osobowych na środowisko w przewozach pasażerskich plasuje się na pierwszym miejscu. Można oszacować, że obecnie około 1 mld pojazdów poruszających się po drogach świata zużywa 5 ton paliwa w ciągu sekundy (co można przełożyć na 15 t emitowanego dwutlenku węgla w każdej sekundzie). Rozwój transportu uwzględnia obowiązujące i stale zaostrzające się normy emisji spalin i związane z nimi sposoby badań pojazdów osobowych. Nadzwyczaj użyteczne stają się opracowania naukowe, których celem jest określenie szczegółowych warunków technicznych prowadzenia takich badań oraz działań organizacyjnych efektywniej wykorzystujących ich wyniki w celu ograniczania negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne człowieka. Podstawowym aktem prawa europejskiego, określającym wymagania w zakresie ochrony powietrza w państwach członkowskich Unii Europejskiej jest dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 28/5/WE [1] w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy (CAFE Cleaner Air for Europe). W dyrektywie wprowadzono kontrolę, oprócz związków gazowych, dodatkowo cząstek stałych PM2,5 oraz PM1 (odpowiednio o wymiarach cząstek stałych do 2,5 µm i do 1 µm). Uzupełnieniem jest prawnie niewiążący cel dotyczący ograniczenia PM2,5 do 22 w każdym państwie członkowskim, na podstawie danych pomiarowych [2]. 2. BADANIA EMISJI SPALIN W RZECZYWISTYCH WARUNKACH RUCHU POJAZDÓW Opierając się na dotychczasowych analizach, można stwierdzić, że do roku 25 będą nadal dominować silniki spalinowe. Ze względu na coraz szersze wprowadzanie silników z wtryskiem bezpośrednim (ZI i ZS) do samochodów osobowych i całkowitą dominację silników ZS w pojazdach ciężkich HDV (heavy duty vehicles) oraz w zastosowaniu pozadrogowym (off-road), należy również zwrócić uwagę na zagadnienie emisji nanocząstek dla tego typu silników. Rozwój silników spalinowych regulowany jest w dużym stopniu wymaganiami rynku pojazdów, głównie europejskiego i amerykańskiego. Oba te rynki charakteryzują się dużymi wymaganiami wobec wyrobu, dużą pojemnością i dużą zasobnością społeczeństwa. Oba rynki są również podobne pod względem liczby sprzedawanych corocznie samochodów osobowych 16 17 milionów. Różnią się natomiast istotnie specyfiką pojazdów i stosowanych do ich napędu silników (rys. 1). W Unii Europejskiej od około 1 lat wzrastał udział silników ZS. Jednakże obecnie udział ten w nowych 1 jacek.pielecha@put.poznan.pl 2 jerzy.merkisz@put.poznan.pl 3 remigiusz.w.jasinski@doctorate.put.poznan.p1 4 arkadiusz.stojecki@bosmal.com.pl Logistyka 4/215 823
samochodach osobowych zatrzymał się na wartości około 45%. Przewiduje się dalsze zwiększanie udziału silników benzynowych na świecie również w połączeniu z silnikami hybrydowymi. Badania dotyczące emisji związków szkodliwych z pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi są ukierunkowane głównie na rozwój nowych układów napędowych (np. hybrydowe układy napędowe) lub układów wykorzystujących alternatywne paliwa (np. biopaliwa). W tym zakresie w ostatnich latach obserwowany jest duży postęp, należy jednak zwrócić uwagę, że są to rozwiązania przyszłościowe i zapewne znajdą one szerokie zastosowanie w perspektywie kilku, kilkunastu lat, natomiast do tego czasu nadal będą dominować klasyczne układy napędowe. Rys. 1. Udział rodzajów napędów oraz silników spalinowych w pojazdach w latach 215-22 Źródło: opracowanie na podstawie [3]. Badania poziomu emisji zanieczyszczeń gazowych spalin z pojazdów samochodowych napędzanych silnikami spalinowymi w rzeczywistych warunkach eksploatacji mają obecnie coraz większe znaczenie. Tego typu badania środków transportu zdecydowanie lepiej odzwierciedlają rzeczywistą sytuację w aspekcie emisji zanieczyszczeń z tych pojazdów niż pomiary przy wykorzystaniu testów symulujących rzeczywiste warunki eksploatacji tych pojazdów na hamowniach podwoziowych. Badania emisji zanieczyszczeń z pojazdów osobowych w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego są obecnie możliwe do realizacji ze względu na występujący w ostatnim okresie rozwój nowoczesnych technik pomiarowych w odniesieniu do tego typu badań, wykorzystywanych w nowoczesnych, przenośnych przyrządach pomiarowych typu PEMS (Portable Emission Measurement System). Komisja Europejska w opublikowanym komunikacie CARS 22 [4] zwróciła uwagę na niedociągnięcia w obecnych procedurach i zobowiązała się do wprowadzenia nowej procedury badania w ramach homologacji typu w celu oceny poziomu emisji zanieczyszczeń z pojazdów samochodowych w rzeczywistych warunkach jazdy. Wartości emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach jazdy (RDE Real Driving Emissions) będą rejestrowane [5, 6] i przekazywane do organów Komisji Europejskiej, a najpóźniej po trzech latach procedura RDE będzie stosowana do homologacji typu, wraz z ustalonymi poziomami emisji dopuszczalnej. W teście homologacyjnym dla pojazdów osobowych realizowanym na hamowni podwoziowej, nie są symulowane wszystkie wartości prędkości i przyspieszeń występujących podczas eksploatacji pojazdów. W cyklu tym nie są odtwarzane w większości wartości prędkości jazdy i wartości przyspieszenia, które występują w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdów. W rzeczywistych warunkach ruchu drogowego występuje zmienność warunków mających wpływ na poziom emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych z pojazdów samochodowych, napędzanych silnikami spalinowymi, tj. występuje zmienność otoczenia (w tym topografii terenu), jakości nawierzchni drogi, stanu ruchu drogowego, stylu jazdy kierowcy. 824 Logistyka 4/215
3. METODYKA PRACY 3.1. Cel badań Główną problematyką artykułu jest analiza parametrów ekologicznych pojazdów podczas jazdy w zmiennym ukształtowaniu terenu w rzeczywistych warunkach ruchu. Wpisuje się on w aktualność problematyki dotyczącej poszukiwania wpływu obciążenia środowiska przez transport drogowy i poszukiwania rozwiązań ukierunkowanych na rozwiązania proekologiczne. Szczególny nacisk położono na porównanie parametrów ekologicznych samochodów osobowych pojazdów zasilanych benzyną i olejem napędowym w zależności od poziomego nachylenia osi jezdni. Skupiono się głównie na porównaniu emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych oraz zużycia paliwa. Takie podejście pozwoli na rozszerzenie wiedzy na temat ekologicznych właściwości pojazdów poruszających się nie tylko w terenie płaskim, ale w zróżnicowanych warunkach topograficznych. Dotychczasowe badania i wyniki publikowane w literaturze odnoszą się do terenów płaskich lub wpływ topografii na emisję szkodliwych składników spalin był pominięty. Jednakże znaczne zróżnicowanie terenu, w którym dokonuje się pomiarów emisji zanieczyszczeń z pojazdów może mieć niebagatelny wpływ na uzyskiwane rezultaty emisji związków toksycznych zawartych w spalinach. 3.2. Obiekty badań Obiektami badań były pojazdy typu SUV wyposażone w silniki ZI i ZS; pomimo różnic w objętości skokowej silników i ich rodzajach, cechą wspólną była zbliżona masa własna pojazdów (tab. 1). Wykorzystane w pojazdach silniki spalinowe spełniały normę toksyczności Euro 5, co wiązało się ze spełnieniem limitów toksyczności spalin przedstawionych w tab. 2. W początkowym etapie badań wyznaczono zależności emisji drogowej związków zawartych w spalinach pojazdów (osobno dla silnika ZI i ZS), od warunków topograficznych. Tabela 1. Charakterystyka pojazdów wykorzystywanych do badań Parametr Pojazd z silnikiem ZI Pojazd z silnikiem ZS SILNIK Liczba cylindrów, rozmieszczenie 6, w układzie V 4, rzędowo Średnica cylindra skok [mm] 96 83 83 9,4 Objętość skokowa [cm 3 ] 364 1956 Moc maks.: [kw] przy [obr/min] 26 / 635 125 / 4 Maks. moment obrotowy: [Nm] przy [obr/min] 342 / 435 35 / 175 25 Zasilanie paliwem Multi-Port Fuel Injection Common Rail MultiJet II MASY Masa samochodu gotowego do jazdy [kg] 196 22 Masa własna samochodu [kg] 188 194 Tabela 2. Wartości dopuszczalne emisji według normy Euro 5 (test NEDC) dla obiektów badań Zanieczyszczenie Pojazd z silnikiem ZI Pojazd z silnikiem ZS CO 1 mg/km 5 mg/km HC NO x 1 mg/km 6 mg/km 23 mg/km (HC + NOx) PM 5, mg/km 5, mg/km PN 6 1 11 szt/km Logistyka 4/215 825
3.3. Aparatura pomiarowa Pomiarów emisji zanieczyszczeń dokonano w rzeczywistych warunkach jazdy, zgodnie z metodyką podaną m.in. w pracach [7 1]; podejście takie wymagało zamontowania układu poboru spalin na pojeździe w sposób umożliwiający jego normalną eksploatację. W tym celu wykonano układ poboru spalin, który połączony z układem pomiaru natężenia przepływu spalin stanowił system poboru próbek spalin do analizatorów pomiarowych. Na rysunku 2 przedstawiono schemat połączeń urządzeń pomiarowych. Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator Semtech DS firmy Sensors (Sensors EMission TECHnology). Umożliwiał on pomiar związków szkodliwych CO, NO x, HC oraz emisji CO 2. Do jednostki centralnej analizatora doprowadzono dodatkowo dane bezpośrednio przesyłane z systemu diagnostycznego pojazdu oraz wykorzystano sygnał lokalizacji GPS. Informacje zawarte w publikacjach z zakresu wykorzystania mobilnych analizatorów spalin [11 13] w powiązaniu z danymi rejestrowanymi z pokładowych systemów diagnostycznych [14, 15] potwierdzają celowość podjęcia oceny emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu z wykorzystaniem wymienionej konfiguracji aparatury pomiarowej. spaliny T, H GPS OBD Semtech DS Pomiar CO, CO 2, HC, NO x przepływomierz rozcieńczanie spalin AVL 483 MSS Pomiar PM = f(t) TSI 39 EEPS Pomiar PN = f(t, D) Rys. 2. Schemat połączeniowy urządzeń pomiarowych wykorzystanych do badań 3.4. Metodyka badawcza Pomiarów emisyjności w warunkach drogowych dokonano w rzeczywistych warunkach ruchu (charakterystyka szczegółowa tab. 3) na terenie płaskim oraz w terenie górskim. Profile drogi były zróżnicowane pod względem ukształtowania terenu charakterystykę tras podano w tab. 4. Tabela 3. Charakterystyka testów badawczych teren płaski i górski Rodzaj terenu Całkowity czas [s] Prędkość maksymalna [km/h] Prędkość średnia [km/h] Długość [km] Teren płaski 8724 11 61,47 131,29 Teren górski 3732 73 44,14 45,76 Tabela 4. Charakterystyka tras badawczych pod względem topografii terenu Rodzaj terenu Wysokość [m] Nachylenie maksymalne [%] minimalna średnia maksymalna wzrost spadek Teren płaski 228 275 356 5,9 7,8 Teren górski 439 637 93 28 25,2 826 Logistyka 4/215
Trasy badawcze dobrano pod kątem różnorodnych warunków topograficznych, aby uwzględnić wpływ nachylenia powierzchni drogi na wartości emisji zanieczyszczeń składników gazowych spalin. Wybrano dwie trasy różniące się średnim i lokalnym pochyleniem drogi, głównie by zbadać wpływ zmiany emisji w warunkach małych i dużych wartości pochylenia powierzchni. Analiza trasy płaskiej uwidacznia niewielką jej zmienność wysokości (rys. 3a), a co z tym się wiąże niewielkie też były zmiany nachylenia drogi. Trasa górska charakteryzowała się większą zmiennością wysokości (rys. 3b). a) b) 4 1 35 9 3 8 7 Wysokość [m] 25 2 15 1 Wysokość [m] 6 5 4 3 2 5 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Rys. 3. Zmiana wysokości drogi dla trasy: a) o małym zróżnicowaniu nachylenia drogi (teren płaski), b) o dużym zróżnicowaniu nachylenia drogi (teren górzysty) Porównanie występowania terenu o nachyleniu ujemnym i dodatnim można stwierdzić, porównując udział jednych i drugich wartości w całej trasie pomiarowej. Porównania takiego dokonano szeregując wartości w kolejności od najmniejszego nachylenia (ujemnego) do największego (dodatniego) i nadając każdemu pojedynczemu nachyleniu wartość udziału w całej trasie (rys. 4). Zestawienie obu tras pomiarowych odzwierciedla udział każdego nachylenia w całej trasie pomiarowej i pozwala stwierdzić, czy trasa pomiarowa była z przewagą nachylenia ujemnego, czy dodatniego. Z zaprezentowanych rozkładów nachylenia drogi dla różnych tras badawczych wynika, że konieczne było przyjęcie innych zakresów zmienności rozpatrywanego nachylenia drogi dla przejazdu trasą płaską i trasą w terenie górzystym. Udział procentowy pracy pojazdu [%] 6 5 4 3 2 1 3,9 teren płaski 18,2 53,8 8, 2,4-2 -1 1 2 Nachylenie drogi teren górski Rys. 4. Porównanie udziału wartości nachylenia drogi dla dwóch tras badawczych Udział procentowy pracy pojazdu [%] 6 5 4 3 2 1 6,1 1,9 52,9 18,3 11,8-1 -5 5 1 Nachylenie drogi Porównując dane przedstawione na rys. 5 wynika, że przejazdy po tych samych trasach (różnymi pojazdami) charakteryzowały się dużym podobieństwem warunków dynamicznych ruchu (porównano zakresy występowania przyspieszenia, stałej prędkości jazdy, hamowania pojazdem oraz zatrzymania). Porównania dokonano dla warunków pracy na rys. 6, dla których uzyskano współczynnik determinacji wynoszący,83 oraz,86. a) b) Logistyka 4/215 827
5,5 125 5, 1 4,5 75 4, 5 3,5 25 3, 2,5-25 V >, 2, a > -5 V = const 1,5-75 V >, 1, a < -1 V =,,5 stop -125 1 2 3 4 5 6 7 8 9 c) d) V [km/h] 5,5 125 5, 1 4,5 75 4, 5 3,5 25 3, 2,5-25 V >, 2, a > -5 V = const 1,5-75 V >, 1, a < -1 V =,,5 stop -125 1 2 3 4 5 6 7 8 V [km/h] 5,5 75 5.5 75 5, 6 5. 6 4,5 4, 45 3 V [km/h] 4.5 4. 45 3 V [km/h] 3,5 15 3.5 15 3, 3. 2,5-15 2.5-15 V >, 2, a > -3 V >, 2. a > -3 V = const 1,5-45 V >, 1, a < -6 V =,,5 stop -75 1 2 3 4 V = const 1.5-45 V >, 1. a < -6 V =,.5 stop -75 1 2 3 4 5 Rys. 5. Charakterystyka trasy badawczej: a) teren płaski; pojazd z silnikiem ZI, b) teren płaski; pojazd z silnikiem ZS, c) teren górski; pojazd z silnikiem ZI, d) teren górski; pojazd z silnikiem ZS a) b),15 y =,97x R² =,83,2 y =,8719x R² =,86 u i (teren płaski, ZS) [-],1,5 u i (teren górzysty, ZS) [-],15,1,5,,,5,1,15 u i (teren płaski, ZI) [-],,,5,1,15,2 u i (teren górzysty, ZI) [-] Rys. 6. Porównanie zgodności przejazdów (dane uzyskane z dwuwymiarowej charakterystyki we współrzędnych prędkość pojazdu przyspieszenie) a) w terenie płaskim, b) w terenie górskim Należy zwrócić uwagę, że badania drogowe należą do badań, w których ich niepowtarzalność jest cechą charakterystyczną warunków rzeczywistych użytkowania pojazdów; nie jest ona wadą, a wartością, która powoduje duży potencjał informacyjny. Porównując emisję, nie starano się porównywać w sposób dokładny pojazdów, lecz wybrać takie miary do porównania, które są obiektywne i nie zależą od niepowtarzalności testów. 4. WYNIKI UZYSKANYCH POMIARÓW Wykorzystując mobilny system do pomiarów związków szkodliwych dokonano pomiaru natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu, dwutlenku węgla oraz cząstek stałych pod względem masy i liczby. Badania wykonano dla pojazdu zasilanego benzyną i olejem napędowym dla terenu płaskiego 828 Logistyka 4/215
i górskiego. Ze względu na ograniczoną objętość artykułu przykładowe wyniki badań dla pojazdu zasilanego benzyną. Stężenie tlenku węgla na odcinku trasy płaskiej w większości było na poziomie około,2% (w dużej części trasy poniżej tej wartości, a więc nie przekraczało 2 ppm). Pojedyncze dynamiczne warunki pracy silnika skutkowały nagłym zwiększeniem stężenia (rys. 7a), co w konsekwencji skutkowało natężeniem emisji CO dochodzącym do 4 mg/s. Natomiast stężenie tlenku węgla w terenie górskim w większości było na poziomie poniżej,1% (w dużej części trasy poniżej tej wartości, a więc nie przekraczało 1 ppm). Zmiany warunków pracy silnika skutkowały nagłym zwiększeniem stężenia, co w konsekwencji skutkowało natężeniem emisji CO dochodzącym do ponad 4 mg/s. a).4 teren płaski.4 teren górski.3.3 CO [%].2.1 CO [%].2.1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9. 5 1 15 2 25 3 35 4 b) HC [ppm] 6 5 4 3 2 1 HC [ppm] 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 1 15 2 25 3 35 4 c) 3 25 15 12 NOx [ppm] 2 15 1 5 NOx [ppm] 9 6 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 1 15 2 25 3 35 4 d).4.4.3.3 PM [mg/m 3 ].2.1 PM [mg/m 3 ].2.1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9. 5 1 15 2 25 3 35 4 e) 1.5E+5 1.3E+5 1.3E+5 1.E+5 PN [cm -3 ] 1.E+5 7.5E+4 5.E+4 PN [cm -3 ] 7.5E+4 5.E+4 2.5E+4 2.5E+4.E+ 1 2 3 4 5 6 7 8 9.E+ 5 1 15 2 25 3 35 4 Rys. 7. Stężenie związków szkodliwych podczas badań pojazdu wyposażonego w silnik benzynowy na trasie płaskiej i górskiej: a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) tlenków azotu, d) masy cząstek stałych, e) liczby cząstek stałych Stężenie węglowodorów podczas badań nie przekraczało 1 15 ppm (teren płaski) oraz 3 ppm w terenie górskim. Pojedyncze uwarunkowania drogowe wymagały nagłego zwiększenia dawki paliwa, co skutkowało zwiększonym stężeniem węglowodorów. Wartości natężenia emisji omawianego składnika spalin, z wyjątkiem początkowego i końcowego okresu, nie przekraczały 2 mg/s (w terenie płaskim, rys. 7b), a w terenie górskim odnotowano wartości wynoszące 4 5 mg/s. Również stężenie trzeciego składnika gazowego tlenków azotu w całym teście w terenie płaskim było na bardzo małym poziomie. Uzyskane małe wartości tego składnika były wynikiem sprawnie działającego trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. Natężenie emisji tlenków azotu podczas całego testu było minimalne i nie przekraczało 1 2 mg/s. Rozrzuty od tej wartości wynikały z normalnej pracy silnika i nie zaobserwowano przypadków, w których natężenie emisji przekraczało w sposób znaczący wartości Logistyka 4/215 829
rejestrowanych (rys. 7c). Natomiast w terenie górskim stężenie tlenków azotu było na poziomie równym około 4 ppm. Natężenie emisji tlenków azotu podczas całego testu było minimalne i nie przekraczało,1,5 mg/s. W przypadku stężenia cząstek stałych w terenie płaskim, określanych w miligramach na metr sześcienny, obserwowano wartości w zakresie do,3 mg/m 3 w początkowym okresie pracy pojazdu, następnie stężenie to uległo zmniejszeniu do wartości,2 mg/m 3. Charakter zmian natężenia emisji cząstek stałych był zgodny ze zmianami ich stężenia i tylko nieznacznie przekraczał wartości,1 mg/s, natomiast przeważnie nie przekraczał,2 mg/s (rys. 7d). Obserwując zarejestrowany pomiar cząstek stałych, można stwierdzić, iż otrzymane wartości zmieniały się etapowo. W przypadku jazdy w terenie górskim w początkowej fazie wartość stężenia cząstek stałych wahała się na poziomie,15 mg/m 3 z tendencją wzrostową. Kolejny etap to czas, w którym wartości stężenia cząstek stałych gwałtownie zmniejszyły się i utrzymywały minimalny poziom. Ostatnia faza pomiaru charakteryzowała się znacznym przyrostem stężenia, a mimo pewnych wahań, można określić ją, jako czas największego stężenia. Charakter zmian natężenia emisji cząstek stałych był zgodny ze zmianami ich stężenia i tylko nieznacznie przekraczała wartości,1 mg/s. Podczas testu na trasie płaskiej, charakter zmian liczby cząstek był odmienny od charakteru zmian masy cząstek stałych: w początkowych etapach testu tworzone były duże cząstki o stosunkowo małej liczbie (potwierdzenie z rys. 7d), natomiast w drugiej części trasy tworzyły się cząstki mniejsze (stąd większa ich liczba rys. 7e) o zdecydowanie mniejszej masie. W przypadku trasy górskiej w początkowych etapach testu tworzone były duże cząstki o stosunkowo małej liczbie, natomiast w drugiej części trasy tworzyły się cząstki mniejsze (stąd większa ich liczba) o zdecydowanie mniejszej masie. Rejestracja natężenia liczby cząstek stałych pozwoliła na oszacowanie całkowitej ich liczby podczas przejazdu. 5. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Zgodnie z wcześniejszymi artykułami [16, 17], dotyczącymi wyznaczania wskaźników emisji pojazdów, Autorzy w niniejszym artykule proponują wyznaczenie wskaźników emisyjnych dla badanych pojazdów w zróżnicowanych warunkach terenu. Wskaźnik taki, dla danego związku szkodliwego, zdefiniowany jest następująco: Ereal, j k j = (1) E norm, j gdzie: j związek szkodliwy, dla którego określono wskaźnik emisji, E real,j emisja drogowa zanieczyszczenia uzyskana w warunkach rzeczywistych [g/km], E norm,j emisja drogowa zanieczyszczenia według normy toksyczności spalin [g/km]. Wyznaczone wartości wskaźnika emisyjności dla pojazdu wyposażonego w silnik benzynowy zarówno w terenie płaskim, jak i górskim dla związków toksycznych (CO, HC, NO x, PM i PN) nie przekraczają wartości 1 (rys. 8a i b), natomiast przekroczony jest średni limit emisji drogowej dwutlenku węgla, wynoszący dla pojazdów w roku 215 jako 13 g/km (jednakże on nie podlega restrykcjom emisyjnym). Wyznaczone wartości wskaźników emisji dla testów wykonanych w terenie górskim pojazdu wyposażonego w silnik benzynowy są większe niż dla terenu płaskiego dla następujących zanieczyszczeń: tlenku węgla, węglowodorów oraz liczby cząstek stałych, zwiększenie odpowiednio o 5%, 114%, 16%. Wartość emisji drogowej tlenków azotu została nieznacznie zmniejszona, a jej przyczyną może być większa wartość temperatury spalin wywołana większym obciążeniem silnika, a w konsekwencji większą sprawnością reaktora katalitycznego. Większe jest również przebiegowe zużycie paliwa, w terenie górskim było ono o 3% większe w stosunku do terenu płaskiego. 83 Logistyka 4/215
a) b) 5 5 4 4 3 3 k [-] 2 k Euro 5 =1 1,47 k [-] 2 k Euro 5 =1 1,91 1,38,36,43,25,32 CO HC NOx PM PN CO2 1,4,77,32,23,66 CO HC NOx PM PN CO2 Rys. 8. Wartości wskaźników emisyjnych dla pojazdu wyposażonego w silnik benzynowy o klasie emisyjnej Euro 5 odnoszące się do prób emisyjnych: a) w terenie płaskim, b) w terenie górskim a) b) 1 15 8 8,2 12,6 k [-] 6 4 2 k Euro 5 =1,7 3,3,5,7 CO HC NOx PM PN CO2 1,1 k [-] 1 5 k Euro 5 =1 1,4 5,4,7 1,4 1,5 CO HC NOx PM PN CO2 Rys. 9. Wartości wskaźników emisyjnych dla pojazdu wyposażonego w silnik ZS o klasie emisyjnej Euro 5 odnoszące się do prób emisyjnych: a) w terenie płaskim, b) w terenie górskim Wskaźniki emisji określone dla pojazdu wyposażonego w silnik ZS mają odmienny charakter. Znaczne przekroczenie w stosunku do wartości określonej normą Euro 5 odnotowano dla emisji drogowej węglowodorów oraz tlenków azotu. W terenie płaskim przekroczenie dopuszczalnych limitów emisji drogowej węglowodorów było ponad 3-krotne, a tlenków azotu ponad 8-krotne (rys. 9). Jeszcze większe wartości przekroczeń stwierdzono dla testów wykonywanych w terenie górskim: przekroczenie, w stosunku do normy, emisji drogowej węglowodorów wynosiło ponad 5 razy, a emisji drogowej tlenków azotu ponad 12 razy. Z analizy danych wynika, że wartości emisji drogowej uzyskane w rzeczywistej eksploatacji nie są przekroczone dla pojazdów z silnikami ZI, natomiast dla silników ZS przekroczona jest emisja drogowa węglowodorów i tlenków azotu (kilka lub kilkunastokrotnie). W celu rozpatrzenia wpływu nachylenia drogi na wzrost emisji zanieczyszczeń podzielono całą trasę przejazdu na obszary o charakterystycznych wartościach nachyleniach drogi, do których przydzielono wartości emisji zanieczyszczeń. Dla każdego przedziału nachylenia drogi w terenie płaskim ( 2%, 1%, %, 1%, 2%) i terenie górskim ( 1%, 5%, %, 5%, 1%), wyznaczono wartości średniej emisji drogowej dla każdego związku szkodliwego spalin. Następnie porównano wartości emisji drogowej zanieczyszczeń dla charakterystycznych wartości nachylenia trasy i wyznaczono zależności funkcyjne (o charakterze nieliniowym), reprezentujące wartość emisji drogowej zanieczyszczeń w zależności od nachylenia drogi. W artykule zaprezentowano jedynie wybrane wyniki emisji zanieczyszczeń dla pojazdu wyposażonego w sinik ZI i ZS dla terenu górskiego (rys 1). Logistyka 4/215 831
a) 1,2 1, Pojazd wyposażony w silnik ZI y =,19x 2 +,58x +,3253 R² =,99 1,5 1,2 Pozjad wyposażony w silnik ZS y =,16x 2 +,26x +,76 R² =,71 CO [g/km],8,6,4 CO [g/km],9,6,2,3 b), -15-1 -5 5 1 15,2,16 y =,3x 2 +,7x +,7 R² =,98, -15-1 -5 5 1 15,5,4 y =,4x 2 +,15x +,26 R² =,98 HC [g/km],12,8 HC [g/km],3,2,4,1 c) NO x [g/km], -15-1 -5 5 1 15,6,5,4,3,2 y =,1x 2 +,2x +,15 R² =,99 NO x [g/km], -15-1 -5 5 1 15 5 4 3 2 y =,4x 2 +,21x + 2,1 R² =,97,1 1 d), -15-1 -5 5 1 15,4,3 y = 1E-5x 2 +,2x +,6 R² =,98-15 -1-5 5 1 15,8,6 y = 8 1-6 x 2 +,3x +,32 R² =,97 PM [g/km],2,1 PM [g/km],4,2 e) PN [1/km], -15-1 -5 5 1 15 8,E+8 7,E+8 6,E+8 5,E+8 4,E+8 3,E+8 2,E+8 1,E+8 y = 5 1 5 x 2 + 3 1 7 x + 4 1 8 R² =,97,E+ -15-1 -5 5 1 15 PN [1/km], -15-1 -5 5 1 15 1,6E+9 1,2E+9 8,E+8 4,E+8 y = -8 1 5 x 2 + 2 1 7 x + 9 1 8 R² =,81,E+ -15-1 -5 5 1 15 Rys. 1. Zależność średniej emisji drogowej od nachylenia drogi: a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) tlenków azotu, d) masy cząstek stałych, e) liczby cząstek stałych 832 Logistyka 4/215
We wszystkich rozpatrywanych (z wyjątkiem emisji liczbowej cząstek stałych dla pojazdu z silnikiem ZS) przypadkach uzyskano podobny charakter zależności: wraz ze zwiększaniem się nachylenia drogi zwiększa się emisja drogowa wszystkich analizowanych składników spalin, jednakże wzrost ten jest inny dla różnych zanieczyszczeń. Wyznaczone zależności charakteryzujące emisję drogową poszczególnych zanieczyszczeń w funkcji nachylenia drogi są następujące: a) dla emisji drogowej tlenku węgla: silnik ZI: b CO =,19 A 2 +,58 A +,3253; R 2 =,99 (2) silnik ZS: b CO =,16 A 2 +,26 A +,76; R 2 =,71 (3) b) dla emisji drogowej węglowodorów: silnik ZI: b HC =,3 A 2 +,7 A +,7; R 2 =,98 (4) silnik ZS: b HC =,4 A 2 +,15 A +,26; R 2 =,98 (5) c) dla emisji drogowej tlenków azotu: silnik ZI: b NOx =,1 A 2 +,2 A +,15; R 2 =,99 (6) silnik ZS: b NOx =,4 A 2 +,21 A + 2,1; R 2 =,97 (7) d) dla emisji drogowej masy cząstek stałych: silnik ZI: b PM = 1 1 5 A 2 +,2 A +,6; R 2 =,98 (8) silnik ZS: b PM = 8 1 6 A 2 +,3 A +,32; R 2 =,97 (9) e) dla emisji drogowej liczby cząstek stałych: silnik ZI: b PN = 5 1 5 A 2 + 3 1 7 A + 4 1 8 ; R 2 =,97 (1) silnik ZS: b PN = 8 1 5 A 2 + 2 1 7 A + 9 1 8 ; R 2 =,81 (11) Porównanie względnych wartości współczynników równań uwidacznia charakter krotności zmian emisji drogowej przy zmianie nachylenia dodatniego i ujemnego drogi od wartości równej zero. Wyznaczone na podstawie powyższych równań krzywe zależności zmiany emisji drogowej zanieczyszczeń od procentowego nachylenia drogi uwidaczniają, że największą wrażliwość dla silników ZI wykazuje emisja cząstek stałych (która jest utożsamiana tylko z silnikami ZS) i emisja tlenku węgla (rys. 11a). Emisja tych dwóch związków wzrasta około 2,5 3-krotnie przy wzroście nachylenia drogi do 1%. Emisja pozostałych zanieczyszczeń (węglowodorów, tlenków azotu, dwutlenku węgla i liczby cząstek stałych) wzrasta około 2-krotnie przy zwiększeniu nachylenia drogi do 1%. Dla pojazdów z silnikiem ZS wpływ nachylenia drogi najbardziej wpływa na emisję drogową tlenków azotu i emisję masową cząstek stałych, które przy zwiększeniu nachylenia drogi o 1% zwiększają się 2-krotnie. Krotnoość zwiększenia emisji a) b) 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5 PM CO NOx HC CO2 PN, -15-1 -5 5 1 15 Nachylenie drogi [%] Krotnoość zwiększenia emisji 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, -15-1 -5 5 1 15 Nachylenie drogi [%] Rys. 11. Względna zmiana emisji drogowej zanieczyszczeń przy zmianie nachylenia drogi: a) dla pojazdu z silnikiem ZI, b) dla pojazdu z silnikiem ZS NOx CO2 PM HC CO PN Logistyka 4/215 833
6. WNIOSKI Analiza dostępnych danych naukowych związanych z badaniami emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu pojazdów uwidacznia, że badania takie ukierunkowane są w większości na określenie emisji drogowej w miastach lub na trasach pozamiejskich (mieszanych) w warunkach zbliżonych do homologacyjnych testów laboratoryjnych. Pomija się w tych badaniach wpływ topografii terenu na wartość uzyskiwanych wyników emisji drogowej. Przeprowadzone badania w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdów wykazały, że wpływ warunków topograficznych terenu na emisję spalin nie może być pomijany. W związku z potrzebą poszerzenia wiedzy na temat rzeczywistej emisji zanieczyszczeń z pojazdów w każdych warunkach drogowych, przeprowadzono badania również w warunkach górskich z uwzględnieniem specyficznej topografii terenu, charakteryzującej się dużą zmiennością pochylenia wzdłużnego drogi. W rozpatrywanych przypadkach uzyskano ten sam charakter zależności: wraz ze zwiększaniem się nachylenia drogi zwiększa się emisja drogowa większości analizowanych składników spalin, jednakże wzrost ten jest inny dla różnych zanieczyszczeń. Porównanie względnych wartości współczynników uzyskanych zależności uwidacznia krotność zmian emisji drogowej przy zmianie nachylenia drogi (wartość referencyjna przyjęta dla wartości wzdłużnego nachylenia drogi równej zero). Porównanie względnych zmian emisji drogowej w zależności od kąta nachylenia drogi wskazuje, że dla małych zmian kąta największą wrażliwość wykazuje emisja drogowa tlenku węgla. Rozważając większe kąty nachylenia okazuje się, że największą wrażliwość dla silników ZI wykazuje emisja cząstek stałych. Przeprowadzone badania wykazały, że wzrost nachylenia drogi do 1% powoduje średnio 2-krotny wzrost emisji szkodliwych związków spalin. Uzyskane wyniki potwierdziły znaczący wpływ zróżnicowania terenu na emisję związków szkodliwych. Wpływ ten okazał się na tyle istotny, że za zasadną uznać należałoby potrzebę uwzględnienia w testach homologacyjnych współczynników korygujących emisję drogową zanieczyszczeń związanych z topografią terenu. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań, przeprowadzonych w warunkach rzeczywistego ruchu pojazdu na terenie górskim, uwzględniając przy tym informacje związane z charakterystyką topograficzną terenu. Obiektem badań były pojazdy typu SUV (Sport Utility Vehicle) z silnikiem ZI i ZS spełniające normę emisyjności Euro 5. Wykorzystując mobilny system pomiarów związków szkodliwych dokonano pomiaru natężenia emisji zanieczyszczeń. Uzyskane wyniki potwierdziły istotne zmiany w emisji poszczególnych związków szkodliwych spalin wraz ze zmianą kąta nachylenia terenu. We wszystkich rozpatrywanych przypadkach stwierdzono, że zwiększaniu się nachylenia drogi towarzyszy wzrost emisji drogowej szkodliwych składników spalin, jednakże wzrost ten jest inny dla różnych zanieczyszczeń. Słowa kluczowe: ekologia, emisja spalin, testy emisyjne Ecological analysis of passenger cars with gasoline and diesel engines during the road emission tests Abstract This article presents the results of research carried out under real motion of the vehicle in the mountainous terrain, taking into account information related to the topography of the area. The object of the research was an SUV (Sport Utility Vehicle) with Gasoline and Diesel engine (Euro 5 emission standard). Using portable measurement system, were measured exhaust emissions. The results confirmed significant changes in the emission of harmful individual compounds of exhaust with the change of the angle of the terrain. In all cases examined, it was found that increasing the slope of the road is accompanied by an increase in emission of all harmful exhaust gases; however, this increase is different for different pollutants. Keywords: ecology, exhaust emission, real driving emissions LITERATURA [1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 28/5/WE z 21 maja 28 r. w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy (CAFE). 834 Logistyka 4/215
[2] Amann M., Bertok I., Cabala R., Cofala J., Heyes C., Gyarfas F., Klimont Z., Schöpp W., Wagner F., A further emission control scenario for the Clean Air for Europe (CAFE) programme. CAFE Scenario Analysis Report Nr 7, IIASA, Luxembourg. [3] Yilmaz H., Gasoline systems. Bosch Powertrain Technologies, DEER, 28.9.212. [4] Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions Cars 22: Action Plan for a competitive and sustainable automotive industry in Europe, Bruksela 8.11.212 (COM (212) 636 final). [5] Ortenzi, F., Costagliola, M.A., A new method to calculate instantaneous vehicle emissions using OBD data. SAE Technical Paper 21-1-1289, 21. [6] Bonnel P., Weiss M., Provenza A., In-use emissions requirements in the new and future European motor vehicle emissions regulations: state of play. In: 8th Annual SUN Conference, Ann Arbor 211. [7] Merkisz J., Pielecha J., Łabędź K., Stojecki A., Badania emisji spalin pojazdów o różnej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport: Środki i infrastruktura transportu, z. 98, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 213, 463 472. [8] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S., New trends in emission control in the European Union. Springer Tracts on Transportation and Traffic, 214, 1. [9] Bonnel P., Weiss M., Provenza A., In-use emissions requirements in the new and future European motor vehicle emissions regulations: state of play. In: 8th Annual SUN Conference, Ann Arbor 211. [1] Bougher T., Khalek I.A., Trevitz S., Akard M., Verification of a gaseous portable emissions measurement system with a laboratory system using the Code of Federal Regulations Part 165. SAE Technical Paper 21-1-169, 21. [11] Johnson K., Durbin T., Cocker D., Miller J., Agama R., Moynahan N., Nayak G., On-road evaluation of a PEMS for measuring gaseous in-use emissions from a heavy-duty Diesel vehicle. SAE Technical Paper Series 28-1- 13, 28. [12] Khair M., Khalek I., Guy J., Portable emissions measurement for retrofit applications the Beijing bus retrofit experience. SAE Technical Paper 28-1-1825, 28. [13] Krutzsch, B., Weibel, M., Steiner, R., Schmeißer V., System simulation of modern powertrain concepts from an industrial perspective. Cross-Cut Lean Exhaust Emissions Reduction Simulations, Crosscut Workshop on Lean Emissions Reduction Simulation, University of Michigan, Dearborn 211. [14] Gao Y., Checkel M.D., Emission factors analysis for multiple vehicles using an on-board, in-use emissions measurement system. SAE Technical Paper Series 27-1-1327, 27. [15] Tsinoglou D., Koltsakis G., Samaras Z., Performance of OBD systems for Euro 4 level vehicles and implications for the future OBD legislation. In: Predelli O., Onboard-Diagnose II, Expert Verlag, 27. [16] Merkisz J., Pielecha J., Fuć P., LDV and HDV vehicle exhaust emission indexes in PEMS-based RDE tests. Fortschritt-Berichte VDI, Verlag GmbH Dusseldorf, 1 (12), 215, 24 265. [17] Merkisz J., Jacyna M., Merkisz-Guranowska A., Pielecha J., The parameters of passenger cars engine in terms of real drive emission test. The Archives of Transport, 4 (32), 214, 43 5. Logistyka 4/215 835