PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski, Jacek Pielecha, Agnieszka Merkisz-Guranowska Politechnika Pozna ska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu PR DKO JAZDY SAMOCHODEM A EMISJA SUBSTANCJI SZKODLIWYCH W SPALINACH R kopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: Celem bada opisanych w artykule by o zweryfikowanie tezy o wp ywie pr dko ci jazdy samochodem na emisj zwi zków szkodliwych w spalinach. Wp yw pr dko ci jazdy na przebiegowe zu ycie paliwa jest do atwo mierzalny i powszechnie mo liwy do okre lenia, natomiast w celu okre lenia emisji substancji szkodliwych nale y pos u y si specjalistyczn aparatur badawcz. Przeprowadzona analiza jest istotna z punktu widzenia ekologii eksploatacji pojazdów samochodowych. W artykule zaprezentowano wyniki bada drogowych samochodu osobowego nap dzanego silnikiem o zap onie samoczynnym. Artyku zawiera wyniki pomiarów st enia podstawowych zwi zków szkodliwych emitowanych ze spalinami przez silnik tego pojazdu. W pomiarach wykorzystano mobiln aparatur do bada toksyczno ci spalin typu PEMS. Badania przeprowadzono w rzeczywistych warunkach ruchu samochodu (jazda autostradowa) na wybranym fragmencie autostrady A2, zlokalizowanym w rejonach Poznania. S owa kluczowe: badania drogowe, emisja spalin, pr dko jazdy 1. WST P Na poruszaj cy si po drodze pojazd dzia a wiele si, w tym ró nego rodzaju si y oporu, czyli wszystkie te si y które przeciwstawiaj si sile nap dowej pojazdu. Si y oporu opory ruchu pojazdu wyst puj w ka dych warunkach eksploatacyjnych. Nie wszystkie one wyst puj jednak jednocze nie. Liczba i rodzaj wyst puj cych si oporu zale y od aktualnych warunków eksploatacyjnych [4]. W przypadku jazdy samochodem z du ymi pr dko ciami dominuj cy udzia w oporach ruchu ma opór aerodynamiczny, który jest wprost proporcjonalny do powierzchni czo owej samochodu oraz do kwadratu pr dko ci jazdy. W artykule rozpatruje si zagadnienie emisji zwi zków gazowych, takich jak: CO, CO 2, HC, NO x w odniesieniu do pojazdów zasilanych silnikami o zap onie samoczynnym w aspekcie kszta towania maksymalnej pr dko ci jazdy samochodem. Du a warto pr dko ci jazdy odpowiada bowiem w znacznym stopniu za wyemitowane zwi zki szkodliwe [1].
448 Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski, Jacek Pielecha Celem bada by a odpowied na zagadnienia wzrostu emisji zwi zków szkodliwych spalin wraz ze wzrostem pr dko ci jazdy o kilkadziesi t kilometrów na godzin. W efekcie podj tej analizy uzyskano wyniki dotycz ce obci e rodowiskowych dla ró nej pr dko ci jazdy samochodem. 2. METODYKA BADA 2.1. OBIEKT BADA Badaniom w rzeczywistych warunkach eksploatacji poddano pojazd lekki typu PC (Passenger Car samochód osobowy). Obiektem bada by pojazd typu kombi wyposa ony w 4-cylindrowy silnik o zap onie samoczynnym o obj to ci skokowej 1,9 dm 3 (rys. 1). Jednostka nap dowa badanego samochodu by a wyposa ona tylko w utleniaj cy reaktor katalityczny DOC (Diesel Oxidation Catalyst), natomiast nie by zainstalowany filtr cz stek sta ych typu DPF (Diesel Particulate Filter). W sk ad uk adu nap dowego pojazdu wchodzi a równie 5-biegowa skrzynia przek adniowa. Pozosta e, podstawowe dane techniczne obiektu bada s nast puj ce: silnik rodzaj zap onu: ZS, silnik uk ad i liczba cylindrów: R4, obj to skokowa silnika: 1896 cm 3, do adowanie/rodzaj: tak/turbospr arkowe, moc maksymalna: 66/90 kw/km, maksymalny moment obrotowy: 210 N m, system oczyszczania spalin: reaktor katalityczny utleniaj cy DOC, masa w asna pojazdu: 1300 kg, przebieg pojazdu: 210 000 km, typ: kombi, rok produkcji: 1998. Rys.1. Obiekt bada przygotowany do pomiarów drogowych
Pr dko jazdy samochodem a emisja substancji szkodliwych w spalinach 449 2.2. APARATURA BADAWCZA I WARUNKI PRZEPROWADZANIA POMIARÓW Pomiarów st enia sk adników gazowych spalin badanego samochodu osobowego dokonano z wykorzystaniem mobilnej aparatury typu PEMS (Portable Emission Measurement System). Tego rodzaju aparatura naukowo-badawcza umo liwia wykonanie pomiarów zanieczyszcze w spalinach w warunkach emisji drogowej pomiar emisji CO, CO 2, HC, NO x. Zakresy pomiarowe aparatury umo liwiaj zastosowanie jej w szerokim zakresie. Ponadto charakteryzuje si ona uzyskaniem wyniku pomiaru emisji wszystkich szkodliwych sk adników spalin w sposób natychmiastowy, co pozwala na szybkie wnioskowanie z prowadzonych bada. Obecnie postuluje si wprowadzenie pomiarów systemami PEMS do europejskich dzia a legislacyjnych, szczególnie w zakresie pomiarów emisji sk adników gazowych jednak e zagadnienie to rozpatrywane jest obecnie dla pojazdów ci arowych [2, 5 7]. W przypadku przedmiotowych bada wykorzystano analizator SEMTECH-DS firmy Sensors Inc. (Sensors EMission TECHnology; rys. 2). Elementami sk adowymi opisywanej aparatury badawczej s przede wszystkim odpowiednie dla danych zwi zków chemicznych analizatory: wykorzystuj cy promieniowanie podczerwone NDIR (Non- Dispersive Infrared) i ultrafioletowe NDUV (Non-Dispersive Ultraviolet) oraz analizator p omieniowo-jonizacyjny FID (Flame Ionization Detector). Ponadto do g ównych elementów budowy urz dzenia SEMTECH-DS nale [3, 8]: przep ywomierz spalin, mierz cy wydatek spalin dla zmiennych warunków pracy silnika; o ró nej rednicy, zale nej od obj to ci skokowej jednostki nap dowej pojazdu, modu pozwalaj cy na rejestracj danych z systemu diagnostyki pok adowej pojazdu OBD (On-Board Diagnostics) okre lanie m.in. warunków jazdy i parametrów pracy silnika, modu umo liwiaj cy komunikacj z systemem lokalizacji GPS. Rys. 2. Aparatura pomiarowa typu PEMS w trakcie monta u w poje dzie
450 Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski, Jacek Pielecha Opisywana mobilna aparatura pomiarowa typu PEMS, oprócz pomiaru st enia poszczególnych gazowych substancji szkodliwych w spalinach, umo liwia równie pomiar masowego nat enia przep ywu spalin (przep ywomierz), co jest niezb dne do obliczania emisji tych zwi zków np. emisji drogowej. Warto ci st e poszczególnych szkodliwych gazowych sk adników w spalinach uzyskano w efekcie wykonania bada w rzeczywistych warunkach ruchu podczas przejazdów w rejonie Poznania. Przebieg trasy badawczej, b d cej fragmentem p atnej autostrady A2, zaprezentowano na rysunku 3. Jej d ugo wynosi a w przybli eniu 10 km. Nale y tutaj zaznaczy, i pomiary w rzeczywistych warunkach eksploatacji rozpoczynano, kiedy jednostka nap dowa samochodu badawczego osi gn a w a ciw temperatur pracy. Przejazdy testowe realizowano w porze popo udniowej, przy wyst powaniu do du ego nat enia ruchu na odcinku pomiarowym. W celu przeprowadzenia przedmiotowej analizy uzyskiwano samochodem badawczym pr dko wynosz c kolejno 70, 90 i 100 km/h. 2 1 Rys. 3. Odcinek testowy fragment autostrady A2 w rejonach Poznania (opracowano na podstawie serwisu Mapy Google) 3. WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA Na podstawie otrzymanej, w wyniku wcze niejszych oblicze, skumulowanej emisji poszczególnych substancji szkodliwych w spalinach masy ca kowitej obliczono w dalszej kolejno ci emisj drogow tych substancji, okre lan w g/km. Emisj drogow obliczono dla ka dego przejazdu z pr dko ci 70, 90 i 100 km/h (rys. 4). Przejazdy trasy badawczej w zakresie zmienno ci pr dko ci jazdy samochodem cechuj si wyra nie odmienn specyfik emisji szkodliwych sk adników spalin w postaci CO, CO 2, HC i NO x. Widoczny nieco odmienny trend w zmianach warto ci emisji drogowej tlenku w gla,
Pr dko jazdy samochodem a emisja substancji szkodliwych w spalinach 451 w zale no ci od pr dko ci jazdy, mo e wynika z b du pomiaru (rys. 4a). W przypadku poruszania si obiektu badawczego z pr dko ci 100 km/h, obserwowane stosunkowo du e warto ci emisji wszystkich substancji szkodliwych wynikaj ze znacznie zwi kszaj cego si oddzia ywania oporu aerodynamicznego na jad cy pojazd po przekroczeniu (przyj tej powszechnie jako tzw. ekonomicznej ) pr dko ci 90 km/h. Obserwuj c warto ci emisji drogowej analizowanych zwi zków spalin mo na zauwa y, i wzrost pr dko ci jazdy o zaledwie 10 km/h skutkuje zwi kszeniem si tej emisji nawet a o blisko 50% jak w przypadku emisji w glowodorów (rys. 4c). a) b) c) d) Rys. 4. Warto ci emisji drogowej uzyskane dla poszczególnej pr dko ci jazdy: a) tlenku w gla, b) dwutlenku w gla, c) w glowodorów, d) tlenków azotu W celu wykazania dok adnych ró nic w emisji drogowej tlenku i dwutlenku w gla, w glowodorów oraz tlenków azotu obliczono wzgl dn ró nic procentow emisji wobec stosowanej porównawczej, spo ród trzech analizowanych, pr dko ci jazdy 90 km/h. W formie zbiorczej zaprezentowano to na rysunku 5. Z zestawienia wynika, e najbardziej zauwa alna, w przypadku jazdy z pr dko ci 70 km/h, jest redukcja zawarto ci CO 2 w spalinach (spadek warto ci emisji o ponad 40%) oraz redukcja emisji NO x zmniejszenie o prawie 60%. Natomiast w przypadku V = 100 km/h najwyra niej uwidoczniony jest wzrost warto ci emisji drogowej w glowodorów. Jak ju wspomniano zwi kszenie emisji w glowodorów wynosi wtedy oko o 50%.
452 Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski, Jacek Pielecha Rys. 5. Procentowa ró nica w emisji substancji szkodliwych w wyniku zastosowania ró nej pr dko ci jazdy (wzgl dem 90 km/h) 4. WNIOSKI Wykonane badania drogowe samochodu osobowego w rzeczywistych warunkach jego eksploatacji uwidoczni y znacz cy wp yw osi ganej pr dko ci jazdy na emisj gazowych substancji w spalinach. Nale y wskaza na znacz co mniejsz emisj drogow tych zwi zków w przypadku jazdy z V = 70 km/h (wobec pr dko ci 90 km/h) oraz znacz cy wzrost warto ci emisji przy samochodzie poruszaj cym si z V = 100 km/h. Na drogach do cz sto mo na zaobserwowa stosowanie przez kierowców nadmiernej pr dko ci jazdy. Maj c na uwadze wnioski wyci gni te z przeprowadzonych bada warto podkre li, e mo e to w du ym stopniu wp ywa na rodowisko naturalne i cz owieka. Warto wi c racjonalnie podchodzi do kwestii sposobu eksploatacji (pr dko jazdy) wszelkich pojazdów. Wykonane badania by y badaniami wst pnymi. Aby pe niej okre li wp yw pr dko ci jazdy samochodem na w a ciwo ci ekologiczne pojazdu nale y poszerzy badania. Kierunkiem dalszych prac b dzie mi dzy innymi przeprowadzenie bada toksyczno ci spalin wi kszej liczby pojazdów (równie z silnikami o zap onie iskrowym i zasilanych ró nymi paliwami: LPG oraz CNG), w tym pojazdów innych kategorii homologacyjnych typu: LDV (Light Duty Vehicle lekki pojazd u ytkowy) i HDV (Heavy Duty Vehicle pojazd ci arowy). Badania zosta y sfinansowane ze rodków Narodowego Centrum Nauki projekt badawczy promotorski (umowa nr 5623/B/T02/2011/40).
Pr dko jazdy samochodem a emisja substancji szkodliwych w spalinach 453 Bibliografia 1. Daham B., Li H., Andrews G. E., Ropkins K., Tate J. E., Bell M. C.: Comparison of real world emissions in urban driving for Euro 1 4 vehicles using a PEMS. SAE Technical Paper Series 2009-01-0941. 2. Engeljehringer K.: Automotive emission testing and certification. Past, present and future. 2nd International Exhaust Emissions Symposium, Bielsko-Bia a 2011. 3. Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: Emisja zanieczyszcze motoryzacyjnych w wietle nowych przepisów Unii Europejskiej. Wydawnictwa Komunikacji i czno ci, Warszawa 2012. 4. Piechna J.: Podstawy aerodynamiki pojazdów. Wydawnictwa Komunikacji i czno ci, Warszawa 2000. 5. Toy E.: The distribution of vehicle mass in the on-road fleet of passenger vehicles. SAE Technical Paper Series 2004-01-1161. 6. Vermeulen R.J.: The effects of a range of measures to reduce the tail pipe emissions and/or the fuel consumption of modern passenger cars on petrol and diesel. TNO report, IS-RPT-033-DTS-2006-01695. 7. Walsh M.: Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update. Part 3. Combustion Engines/Silniki Spalinowe, No. 4/2011 (147), pp. 98 103. 8. www.sensors-inc.com THE VEHICLE SPEED AND EMISSIONS OF HARMFUL SUBSTANCES IN EXHAUST GASES Summary: The aim of the studies described in this article was to verify the thesis about the influence of driving speed on emissions of harmful substances in the exhaust gases. The influence of speed on fuel consumption is quite easily measurable and generally possible to identify, while in order to determine the emissions of harmful substances should be used a specialized research equipment. The analysis is important from the point of view of vehicle exploitation. The paper presents the results of the road tests of a car driven by diesel engine. It contains the results of measurements of the concentration of harmful substances emitted in the exhaust. In the measurements a mobile equipment for testing the toxicity of exhaust gases was used (PEMS type). The study was conducted in real traffic conditions (motorway driving) on a selected portion of the A2 motorway, located in the regions of Poznan. Keywords: road tests, exhaust emissions, vehicle speed