JERZY MERKISZ, JACEK PIELECHA, PIOTR MOLIK, MATEUSZ NOWAK * OCENA WARUNKÓW PRACY SILNIKÓW SAMOCHODÓW OSOBOWYCH W ASPEKCIE WYZNACZANIA EMISJI DROGOWEJ ZANIECZYSZCZEŃ 6-965 Poznań ul. Piotrowo 3 e-mail: jerzy.merkisz@put.poznan.pl, e-mail: jacek.pielecha@put.poznan.pl, piotr.c.molik@doctorate.put.poznan.pl, mateusz.sl.nowak@doctorate.put.poznan.pl Brak unormowań prawnych dotyczących badań emisji w rzeczywistych warunkach ruchu skłania do wyznaczenia wspólnych pól pracy silników w celu możliwości ich porównania między sobą. W związku z tym zauważalna jest tendencja pomiarów emisji w warunkach odzwierciedlających rzeczywistą eksploatację pojazdów. Koncepcja badań toksyczności spalin wykonywanych w rzeczywistych warunkach ruchu dla pojazdów osobowych powinna opierać się następujących przesłankach: wyznaczeniu spójnego obszaru pracy silnika dla wszystkich pojazdów osobowych, w taki sposób aby w największym stopniu odpowiadał najczęstszym warunkom ruchu oraz określeniu parametrów mierzonych podczas testów drogowych i uzyskiwanych wskaźnikach emisji. W artykule przedstawiono wyniki pomiarów dotyczących wyznaczenia warunków pracy silników służących do napędu samochodów osobowych. Efektem badań była ocena warunków pracy silników samochodów osobowych pod kątem wyznaczania emisji drogowej zanieczyszczeń. Oznaczenia NEDC New European Driving Cycle NTE Not to Exceed FTP Federal Test Procedure TD gęstość czasowa ZI zapłon iskrowy ZS zapłon samoczynny * Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Piotr Molik, Mateusz Nowak, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Politechnika Poznańska
276 1. Przedstawienie problemu Pomiar stężenia związków szkodliwych z samochodów osobowych odbywa się podczas badań homologacyjnych przeprowadzanych na hamowni podwoziowej [1], podczas badań drogowych w rzeczywistych warunkach ruchu [2, 3] oraz na stacjach kontroli pojazdu. Pomiary homologacyjne wykonywane na hamowni podwoziowej odbywają się według ściśle określonych procedur i są stosowane wyłącznie dla nowych samochodów osobowych. Zadaniem testów homologacyjnych NEDC oraz amerykańskiego FTP jest kontrola w warunkach ustalonego profilu prędkości, spełnienia przez pojazd wymagań ekologicznych [4, 5]. Badania drogowe pojazdów osobowych pod względem emisji spalin nie są unormowane prawnie w przeciwieństwie do pojazdów ciężarowych, dla których jest opracowany test badawczy NTE test nieprzekraczania wartości dopuszczalnych [6, 7]. Ustala on obszar pracy silnika, w którym emisja nie może przekraczać określonych limitów. Test NTE odbywa się podczas rzeczywistej eksploatacji i jest dedykowany do oceny emisji związków toksycznych spalin z silników przeznaczonych do napędu pojazdów ciężarowych. Cechą charakterystyczną tego testu jest wyznaczone pole pracy silnika pojazdu ciężarowego. Emisja z poza obszaru testu nie jest brana pod uwagę [8, 9]. 2. Koncepcja opracowania testu badawczego dla pojazdów osobowych Brak sprecyzowanych unormowań prawnych skłonił autorów artykułu do poszukiwania koncepcji stworzenia testu do oceny emisji związków szkodliwych z samochodów osobowych w rzeczywistych warunkach ruchu [1 12]. Koncepcja opracowania testu toksyczności spalin wykonywanego w rzeczywistych warunkach ruchu dla pojazdów osobowych powinna opierać się następujących przesłankach: wyznaczenia jednego spójnego obszaru pracy silnika dla wszystkich pojazdów osobowych w taki sposób, aby w największym stopniu odpowiadał najczęstszym warunkom ruchu; przy niemożliwości wyznaczenia jednego wspólnego obszaru powinien istnieć podział na różne klasy pojazdów o różnych napędach przy zastosowaniu pewnych kryteriów wspólnych (np. silniki ZI i ZS bez podziału na sposób zasilania silnika); określeniu parametrów mierzonych podczas testów drogowych i uzyskiwanych wskaźnikach emisji. Aby spełnić przedstawione ogólne wymagania odnośnie testu badawczego, proponuje się realizację następujących punktów algorytmu:
277 1. Wyznaczenie pola pracy silnika (we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie) w testach badawczych (np. NEDC) i porównanie uzyskanego pola z polem pracy w najczęściej występujących warunkach pracy pojazdów osobowych; z podziałem na różne odcinki pomiarowe: jazda miejska, pozamiejska, autostradowa (rys. 1). Pole pracy silnika powinno być scharakteryzowane przez co najmniej dwa parametry (prędkość obrotową i obciążenie silnika), dostępne do określenia np. z wykorzystaniem danych z wewnętrznej sieci informatycznej pojazdów. Trudnością jest tu opracowanie wskaźnika obciążenia, gdyż w pojazdach osobowych pokładowy system diagnostyczny udostępnia jedynie pomocniczy parametr, jakim jest obciążenie silnika przy danej prędkości obrotowej wyrażone procentowo [13, 14]. Efektem powinien być wydzielony obszar pracy silnika, który powinien podlegać testowi, tzn. tylko z tego obszaru powinny być brane pod uwagę pomiary toksyczności spalin w warunkach drogowych. Rys. 1. Wyznaczenie pola pracy podczas testu 2. Wyznaczenie udziału czasu pracy silnika (lub pojazdu) w testach homologacyjnych (np. NEDC lub FTP), np. w odniesieniu do pola pracy silnika (współrzędne n M) lub pola pracy pojazdu (współrzędne V a), a następnie wyznaczenie najważniejszych obszarów pracy silnika (lub pojazdu) odpowiedzialnych za największe wartości emisji drogowej związków szkodliwych. Na podstawie doświadczenia przeprowadzonych badań w rzeczywistych warunkach ruchu szacuje się, że zgodność emisji związków szkodliwych w teście NEDC i warunkach rzeczywistych nie będzie zadowalająca. Efektem tego etapu powinna być propozycja ustalania czasu trwania badań drogowych testu drogowego. Jedną z możliwości jest też ustalenie go w jednostkach względnych (np. w stosunku do określonego parametru pracy silnika (lub pojazdu).
278 3. Wykonanie badań weryfikacyjnych (przy znajomości zakresu pracy silnika według wyników punktu 1, oraz czasu trwania testu według wyników punktu 2) na różnych pojazdach osobowych i ich klasach emisyjnych, polegających na potwierdzeniu poprawności przyjętych założeń odnośnie testu badawczego. 4. Próba ustalenia wartości określających maksymalne wartości emisji w badaniach drogowych dla różnych emisyjnych pojazdów. Limity te mogą być ustalone jako wskaźniki emisji danego związku szkodliwego lub jako krotności zwiększenia w stosunku do wartości norm emisji. 3. Metodyka badań Parametryzacji zakresów pracy silników spalinowych dokonano na reprezentatywnej grupie pojazdów, do której zakwalifikowano 1 pojazdów osobowych z silnikiem ZI podzielonych na trzy grupy, charakterystykę pojazdów przedstawiono w tablicy 1. Podział pojazdów wyposażonych w silniki ZI Tablica 1 Parametry Objętość silnika Klasa emisyjna Rok produkcji: Skrzynia biegów Grupa I II III 1,1 1,5 dm 3 Euro 3 Euro 5 25 21 mechaniczna 1,6 dm 3 Euro 4 Euro 5 28 21 mechaniczna 1,8 3, dm 3 Euro 4 Euro 5 26 21 automatyczna W celu ustalenia najczęściej wykorzystywanych zakresów pracy silników wykonano przejazdy miejskie, które charakteryzowały się co najmniej jednogodzinną długością trwania testu. Podczas przejazdu rejestrowano z częstotliwością 1 Hz parametry związane z pojazdem (m.in. prędkość pojazdu, przyspieszenie), a także parametry związane z pracą silnika (m.in. prędkość obrotową, obciążenie, temperaturę cieczy chłodzącej). Na tej podstawie możliwe było wykonanie najważniejszych zadań etapu parametryzacji stanów pracy sinika podczas jazdy miejskiej. Zarejestrowane czasowe zmiany prędkości obrotowej n = f(t) i obciążenia silnika M o = f(t) pozwoliły na utworzenie dwuwymiarowych charakterystyk pracy silnika podczas testów. Charakterystyki takie wykonano dla wszystkich pojazdów, a następnie przeprowadzono analizę możliwości uogólnienia zagadnienia dla wszystkich rozpatrywanych jednostek napędowych.
279 Rys. 2. Przykładowa charakterystyka zależności udziału obciążenia silnika dla danej prędkości obrotowej W celu uzyskania możliwie ogólnych charakterystyk dla wszystkich pojazdów, przyjęto, że będą one przedstawione jako zależności udziału obciążenia silnika dla danej prędkości obrotowej (zapisywanej jako M o /M o max n) oraz względnej prędkości obrotowej silnika (odniesionej do jego prędkości maksymalnej) n/n max, przy czym obie wielkości wyrażono w procentach (rys. 2): (n/n max ) = (n/n max )/N (1) (M o /M o max ) = (M o /M o max )/K (2) Dla elementu o numerach (i, j) udział czasu pracy inaczej gęstość czasową TD (time density) zdefiniowano następująco: TD (i, j) = t (i, j) /t (3) gdzie t(i, j) oznacza czas pracy silnika, w którym rozpatrywane parametry (prędkość obrotowa i obciążenie) należą do pola ΔL oznaczonego numerami i, j (rys. 3). Spełnione muszą być przy tym związki:
28 Rys. 3. Podział pola pracy na elementy N K i 1 j 1 N K i 1 j 1 t( t (4) i, j) TD 1 (5) ( i, j) Charakterystyczną wielkością danego elementu pola pracy silnika jest jego środek, który na potrzeby rozpatrywanego zagadnienia wyznaczano jako średnią arytmetyczną początku i końca przedziału danego zakresu względnej prędkości lub względnego obciążenia silnika. Przedstawiony sposób wyznaczenia dwuwymiarowej charakterystyki udziału czasu pracy, zgodnie z równaniem (4), wymaga przede wszystkim ustalenia liczby przedziałów względnej prędkości obrotowej (N) oraz liczby przedziałów względnego obciążenia (K). Właściwe ich ustalenie wiąże się z możliwością późniejszego uogólnienia otrzymanych wyników (na wszystkie pojazdy z danej kategorii np. osobno dla silników ZI i ZS), a jednocześnie jest podstawą prowadzenia dalszych badań. Autorzy artykułu proponują, aby ustalić liczbę przedziałów na podstawie: minimalnej wartości średniej przylegających elementów w poszczególnych przedziałach (i, j), będącego miarą zmienności danych w tych przedziałach
mniejsze wartości będą podstawą przyjęcia reprezentatywności środka danego przedziału jako zbliżonych warunków pracy silnika, równości liczby przedziałów N i K, ograniczenia całkowitej liczby przedziałów do 1. 281 4. Wyniki analizy Ustalenie podziału pola pracy wspólnego dla wszystkich silników wymagało przyjęcia standardowego czasu badania. W założeniach był to okres nie krótszy niż jedna godzina. Ustalenie rozpoczęto od wartości N i K wynoszących 5 5. Tak przyjęte wartości podziału pola pracy pozwoliły na wypełnienie niemalże wszystkich elementów (i, j), co nie jest w pełni zgodne z rzeczywistością. Maksymalny udział czasu pracy w elemencie wynosił 29,5%, przy maksymalnej wartości zmienności wynoszącej 13,3%. Taką samą procedurę powtórzono dla kolejnych wartości N i K zwiększając je co jedną jednostkę do wartości równej 1. Wyniki tych operacji przedstawiono na rys. 4-6. a) 1 8 4,36% 5,96% 1,17% 1,34% b) 1 8 3,79% 3,71% 3,92% 1,62%,66% 6 1,79% 1,14%,1%,3% 16,5% 4 1,12%,77%,7%,7% 13,1% 2 29,48% 3,2%,7%,1% 1,34%,27%,3% 6 6,88% 5,46% 3,83% 1,18%,46% 13,26% 4 9,38% 6,24%,67%,18% 11,68% 2 8,24% 5,9%,56%,16% 1,98% 7,87% 5,81%,69%,21% 2 4 6 8 1 2 4 6 8 1 Rys. 4. Wyniki analizy dla liczby przedziałów 5 x 5: a) udział czasu pracy, b) średnia wartość zmienności a) 1 86,1% 3,42% 3,25% 1,7%,9%,8% b) 1,23% 86 1,92% 2,52% 2,56%,97%,49%,45% 71,84% 7,14%,4%,7%,1% 57 2,98% 4,89%,4%,1%,3%,3% 7,17% 43 4,66% 2,95%,44%,1%,3% 9,8% 29 17,99% 2,21%,3%,13%,3%,65% 71 2,15% 2,6% 2,3%,7%,35%,31% 2,61% 57 3,4% 2,74% 1,83%,18%,5%,3% 6,98% 43 5,77% 4,9% 1,28%,17%,5%,2% 9,84% 29 7,71% 6,22% 1,54%,45%,14%,8% 14 2,17% 5,13% 2,11%,54%,44% 7,87% 6,6% 5,32% 1,16%,39%,13%,8% 14 5,4% 4,22% 4,57% 1,3%,51%,16%,11% 14 29 43 57 71 86 1 14 29 43 57 71 86 1 Rys. 5. Wyniki analizy dla liczby przedziałów 7 x 7: a) udział czasu pracy, b) średnia wartość zmienności
282 a) b) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1,7%,54% 2,35% 1,7%,54%,54%,7%,54%,4% 3,35% 2,38%,17%,3%,7%,7%,3% 1,24% 4,22%,4%,1%,3%,3% 2,85% 2,48%,37%,27%,3%,3%,1% 3,28% 1,51%,17%,1%,3% 15,95% 4,5% 1,27%,23%,27%,3%,7% 8,78% 5,39% 1,1%,2%,17%,3% 4,32% 2,37% 2,71% 1,71%,94%,34%,34%,1%,4%,94%,1%,17%,3% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1,%,8%,73% 1,51% 1,64% 1,9%,4%,32%,32%,34%,%,19% 1,9% 1,66% 1,62%,79%,29%,22%,22%,22%,%,5% 1,62% 1,97% 1,53%,42%,8%,3%,3%,2%,2%,83% 1,74% 1,84% 1,7%,16%,7%,2%,1%,1% 2,67% 2,91% 3,5% 1,8%,74%,16%,8%,1%,2%,2% 4,14% 4,17% 4,59% 1,9%,55%,13%,7%,1%,1%,1% 4,84% 6,54% 7,9% 4,11%,95%,44%,23%,9%,6%,3% 2,18% 4,36% 4,88% 3,65%,88%,41%,22%,9%,5%,2%,72% 2,79% 3,19% 2,91%,73%,36%,2%,9%,5%,2%,%,7%,22%,24%,2%,5%,3%,1%,%,% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Rys. 6. Wyniki analizy dla liczby przedziałów 1 x 1: a) udział czasu pracy, b) średnia wartość zmienności Zestawiając natomiast uzyskane średnie wartości zmienności dla całego pola pracy uzyskano zależność, z którego wynika, że najbardziej zgodny z wymaganiami jest podział pola pracy silnika na K L elementów o wartościach 1 1. Kolejnym etapem prac było porównanie pól pracy silników o wymiarach 1 1, a następnie ich uogólnienie dla wszystkich silników oraz różnych typów skrzyni biegów. Przykładowe dane dla pojedynczych badań pokazano na rys. 7. Wynika z niego, że przykłądowa praca silnika spalinowego w warunkach miejskich zawiera się w obszarze 1-3% względnej prędkości obrotowej i 2-5% względnego obciążenia. Wyznaczenie wartości uśrednionych ze wszystkich badanych pojazdów (rys. 7) pozwoliło na wyznaczenie uogólnionych sparametryzowanych obszarów pracy silników spalinowych. Z porównania tych obszarów wynika, że silniki benzynowe
pracują na zakresie n/n max = 1-4% oraz M o /M o max = -3%, czyli w zakresach małych prędkości obrotowych i niedużego obciążenia silnika. 283 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1,41%,14%,43% 1,14% 1,67%,57%,22%,35%,29%,31%,43%,81% 4,99% 3,72% 1,38%,44%,23%,15%,5%,4%,27%,61% 1,65% 1,63%,59%,21%,1%,3%,2%,19%,72% 1,69% 1,6%,77%,24%,7%,4%,3%,45% 1,98% 2,1% 1,78%,73%,43%,3%,4%,43% 4,5% 2,78% 1,83% 1,12%,49%,7%,2%,7%,62% 4,83% 2,85% 2,8% 1,38%,56%,3%,2%,2% 8,73% 11,79% 5,5% 3,82% 2,62%,46%,11%,34%,1%,51% 4,85% 2,67% 6,58% 3,42%,46%,3%,3%,29% 17,1% 6,13% 11,% 3,48%,28%,3% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Rys. 7. Wyniki uogólnienia analizy dla liczby przedziałów 1 x 1 dla wszystkich badanych pojazdów o zróżnicowanych parametrach 5. Wnioski Przedstawiona koncepcja badań pojazdów osobowych pod kątem ich emisji w rzeczywistych warunkach ruchu nie ma odpowiednika w regulacjach prawnych. Podjęcie tego tematu było wynikiem wprowadzenia w regulacjach europejskich podobnych badań jedynie dla pojazdów ciężarowych, a jednocześnie nabytych doświadczeń w badaniach emisji w rzeczywistych warunkach ruchu różnych środków transportu. Realizacja tak podjętego zadania może być wykorzystana przy opracowaniu wytycznych do testów toksyczności spalin zawartych w regulacjach prawnych, a jednocześnie być wskazaniem na możliwości oceny ekologicznej pojazdów w trakcie ich eksploatacji. Jest to inny sposób oceny stanu technicznego pojazdów, charakteryzujący się szczegółową oceną emisyjności pojazdu, która może być wykonywana równolegle do procedur emisyjnych na stacjach kontroli pojazdu. Wyznaczone sparametryzowane zakresy pracy silników spalinowych w warunkach miejskich mogą być wyznacznikiem do prowadzenia testów toksyczności spalin w rzeczywistych warunkach ruchu w wykorzystaniem mobilnych analizatorów spalin.
284 Literatura [1] Regulations Commission: Regulation No 582/211 of 25 May 211 implementing and amending Regulation No 595/29 of the European Parliament and of the Council with respect to emissions from heavy duty vehicles (Euro VI) and amending Annexes I and III to Directive 27/46/EC of the European Parliament and of the Council, 211. [2] Merkisz J., Pielecha J.: The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles fitted with diesel engines. Combustion Engines, No. 2, 211. [3] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: New trends in emission control in the European Union. Springer Tracts on Transportation and Traffic, Vol. 1, 214. [4] 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 Series 21-1-169, 21. [5] Rubino L., Bonnel P., Hummel R., Krasenbrink A., Manfredi U., De Santi G., Perotti M., Bomba G.: PEMS light duty vehicles application: experiences in downtown Milan. SAE Technical Paper Series 27-24-113, 27. [6] Johnson K.C., Durbin T.D., Cocker D.R., Miller J.W., Agama R.J., Moynahan N.: 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. [7] Engeljehringer K.: Automotive emission testing and certification: past, present and future. Current and future trends in automotive emissions, fuels, lubricants and test methods, Bielsko-Biała 211. [8] Jehlik H.: Challenge X 28 hybrid powered vehicle on-road emissions findings and optimization techniques: a 4 year summary. Sensors 5th Annual SUN (SEMTECH User Network) Conference, September 28. [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] Steininger N.: Automotive particulate emissions in European legislation: state of the art and developments to come. In: 13th ETH Conference on Combustion Generated Particles, Zurich 29. [11] Seger J.P.: Vehicle integration for US EPA 21 emissions and lowest cost of owner-ship. SAE Technical Paper Series 21-1-1956, 21. [12] Weiss M., Bonnel P., Hummel R.: Analyzing on-road emissions of light duty vehicles with Portable Emission Measurement Systems (PEMS). European Commission, Joint Research Centre, Institute for Energy, 211. [13] Ortenzi F., Costagliola M.A.: A new method to calculate instantaneous vehicle emissions using OBD data. SAE Technical Paper Series 21-1-1289, 21. [14] Wei Q., Rooney R.: The on-board PM mass calibration for the real-time PM mass measurement. SAE Technical Paper Series 21-1-1283, 21.
ASSESSMENT OF PASSENGER CAR ENGINES OPERATING CONDITIONS IN THE ASPECT OF DESIGNATING THE DISTANCE SPECIFIC EXHAUST EMISSION Lack of legal regulations concerning the emission tests in real traffic conditions leads to designate the common engine operation fields in order to be able to compare them with each other. Therefore, there is a noticeable trend in emission measurements reflecting the actual operation conditions of vehicles. The concept of exhaust gas toxicity studies performed in real traffic conditions for passenger vehicles should be based on the following considerations: the appointment of a coherent area of engine operation for all passenger vehicles, in such a way that the greatest answer the most common traffic conditions and the parameters measured during road tests and obtained emission factors. The article presents the results of measurements concerning the designation of the engine operation conditions in passenger cars. The result of the study was an assessment of passenger cars engine operation conditions in terms of determining the exhaust emission. 285