Prędkość jazdy samochodem a emisja substancji szkodliwych w

Prędkość jazdy samochodem a emisja substancji szkodliwych w

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 98
Transport
2013
Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski,
Jacek Pielecha, Agnieszka Merkisz-Guranowska
Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
PRDKO
JAZDY SAMOCHODEM A EMISJA
SUBSTANCJI SZKODLIWYCH W SPALINACH
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: Celem bada opisanych w artykule byo zweryfikowanie tezy o wpywie prdkoci
jazdy samochodem na emisj zwizków szkodliwych w spalinach. Wpyw prdkoci jazdy na
przebiegowe zuycie paliwa jest do atwo mierzalny i powszechnie moliwy do okrelenia,
natomiast w celu okrelenia emisji substancji szkodliwych naley posuy si specjalistyczn
aparatur badawcz. Przeprowadzona analiza jest istotna z punktu widzenia ekologii eksploatacji
pojazdów samochodowych. W artykule zaprezentowano wyniki bada drogowych samochodu
osobowego napdzanego silnikiem o zaponie samoczynnym. Artyku zawiera wyniki pomiarów
stenia podstawowych zwizków szkodliwych emitowanych ze spalinami przez silnik tego pojazdu.
W pomiarach wykorzystano mobiln aparatur do bada toksycznoci spalin typu PEMS. Badania
przeprowadzono w rzeczywistych warunkach ruchu samochodu (jazda autostradowa) na wybranym
fragmencie autostrady A2, zlokalizowanym w rejonach Poznania.
Sowa kluczowe: badania drogowe, emisja spalin, prdko jazdy
1. WSTP
Na poruszajcy si po drodze pojazd dziaa wiele si, w tym rónego rodzaju siy oporu,
czyli wszystkie te siy które przeciwstawiaj si sile napdowej pojazdu. Siy oporu –
opory ruchu pojazdu wystpuj w kadych warunkach eksploatacyjnych. Nie wszystkie
one wystpuj jednak jednoczenie. Liczba i rodzaj wystpujcych si oporu zaley od
aktualnych warunków eksploatacyjnych [4]. W przypadku jazdy samochodem z duymi
prdkociami dominujcy udzia w oporach ruchu ma opór aerodynamiczny, który jest
wprost proporcjonalny do powierzchni czoowej samochodu oraz do kwadratu prdkoci
jazdy.
W artykule rozpatruje si zagadnienie emisji zwizków gazowych, takich jak: CO, CO2,
HC, NOx w odniesieniu do pojazdów zasilanych silnikami o zaponie samoczynnym
w aspekcie ksztatowania maksymalnej prdkoci jazdy samochodem. Dua warto
prdkoci jazdy odpowiada bowiem w znacznym stopniu za wyemitowane zwizki
szkodliwe [1].
448
Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski, Jacek Pielecha
Celem bada bya odpowied na zagadnienia wzrostu emisji zwizków szkodliwych
spalin wraz ze wzrostem prdkoci jazdy o kilkadziesit kilometrów na godzin. W efekcie
podjtej analizy uzyskano wyniki dotyczce obcie rodowiskowych dla rónej
prdkoci 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
wyposaony w 4-cylindrowy silnik o zaponie samoczynnym o objtoci skokowej 1,9 dm3
(rys. 1). Jednostka napdowa badanego samochodu bya wyposaona tylko w utleniajcy
reaktor katalityczny DOC (Diesel Oxidation Catalyst), natomiast nie by zainstalowany
filtr czstek staych typu DPF (Diesel Particulate Filter). W skad ukadu napdowego
pojazdu wchodzia równie 5-biegowa skrzynia przekadniowa. Pozostae, podstawowe
dane techniczne obiektu bada s nastpujce:
– silnik – rodzaj zaponu: ZS,
– silnik – ukad i liczba cylindrów: R4,
– objto skokowa silnika: 1896 cm3,
– doadowanie/rodzaj: tak/turbosprarkowe,
– moc maksymalna: 66/90 kW/KM,
– maksymalny moment obrotowy: 210 N·m,
– system oczyszczania spalin: reaktor katalityczny utleniajcy DOC,
– masa wasna pojazdu: 1300 kg,
– przebieg pojazdu: 210 000 km,
– typ: kombi,
– rok produkcji: 1998.
Rys.1. Obiekt bada przygotowany do pomiarów drogowych
Prdko jazdy samochodem a emisja substancji szkodliwych w spalinach
449
2.2. APARATURA BADAWCZA I WARUNKI
PRZEPROWADZANIA POMIARÓW
Pomiarów stenia skadników gazowych spalin badanego samochodu osobowego
dokonano z wykorzystaniem mobilnej aparatury typu PEMS (Portable Emission
Measurement System). Tego rodzaju aparatura naukowo-badawcza umoliwia wykonanie
pomiarów zanieczyszcze w spalinach w warunkach emisji drogowej – pomiar emisji CO,
CO2, HC, NOx. Zakresy pomiarowe aparatury umoliwiaj zastosowanie jej w szerokim
zakresie. Ponadto charakteryzuje si ona uzyskaniem wyniku pomiaru emisji wszystkich
szkodliwych skadników spalin w sposób natychmiastowy, co pozwala na szybkie
wnioskowanie z prowadzonych bada. Obecnie postuluje si wprowadzenie pomiarów
systemami PEMS do europejskich dziaa legislacyjnych, szczególnie w zakresie
pomiarów emisji skadników gazowych – jednake zagadnienie to rozpatrywane jest
obecnie dla pojazdów ciarowych [2, 5–7].
W przypadku przedmiotowych bada wykorzystano analizator SEMTECH-DS firmy
Sensors Inc. (Sensors EMission TECHnology; rys. 2). Elementami skadowymi opisywanej
aparatury badawczej s przede wszystkim odpowiednie dla danych zwizków
chemicznych analizatory: wykorzystujcy promieniowanie podczerwone – NDIR (NonDispersive Infrared) i ultrafioletowe – NDUV (Non-Dispersive Ultraviolet) oraz analizator
pomieniowo-jonizacyjny – FID (Flame Ionization Detector). Ponadto do gównych
elementów budowy urzdzenia SEMTECH-DS nale [3, 8]:
przepywomierz spalin, mierzcy wydatek spalin dla zmiennych warunków pracy
silnika; o rónej rednicy, zalenej od objtoci skokowej jednostki napdowej
pojazdu,
modu pozwalajcy na rejestracj danych z systemu diagnostyki pokadowej pojazdu
OBD (On-Board Diagnostics) – okrelanie m.in. warunków jazdy i parametrów
pracy silnika,
modu umoliwiajcy komunikacj z systemem lokalizacji GPS.
Rys. 2. Aparatura pomiarowa typu PEMS w trakcie montau w pojedzie
450
Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski, Jacek Pielecha
Opisywana mobilna aparatura pomiarowa typu PEMS, oprócz pomiaru stenia
poszczególnych gazowych substancji szkodliwych w spalinach, umoliwia równie pomiar
masowego natenia przepywu spalin (przepywomierz), co jest niezbdne do obliczania
emisji tych zwizków – np. emisji drogowej.
Wartoci ste poszczególnych szkodliwych gazowych skadników w spalinach
uzyskano w efekcie wykonania bada w rzeczywistych warunkach ruchu podczas
przejazdów w rejonie Poznania. Przebieg trasy badawczej, bdcej fragmentem patnej
autostrady A2, zaprezentowano na rysunku 3. Jej dugo wynosia w przyblieniu 10 km.
Naley tutaj zaznaczy, i pomiary w rzeczywistych warunkach eksploatacji
rozpoczynano, kiedy jednostka napdowa samochodu badawczego osigna waciw
temperatur pracy. Przejazdy testowe realizowano w porze popoudniowej, przy
wystpowaniu do duego natenia ruchu na odcinku pomiarowym. W celu
przeprowadzenia przedmiotowej analizy uzyskiwano samochodem badawczym prdko
wynoszc 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 wczeniejszych oblicze, skumulowanej emisji
poszczególnych substancji szkodliwych w spalinach – masy cakowitej – obliczono
w dalszej kolejnoci emisj drogow tych substancji, okrelan w g/km. Emisj drogow
obliczono dla kadego przejazdu – z prdkoci 70, 90 i 100 km/h (rys. 4). Przejazdy trasy
badawczej w zakresie zmiennoci prdkoci jazdy samochodem cechuj si wyranie
odmienn specyfik emisji szkodliwych skadników spalin w postaci CO, CO2, HC i NOx.
Widoczny nieco odmienny trend w zmianach wartoci emisji drogowej tlenku wgla,
Prdko jazdy samochodem a emisja substancji szkodliwych w spalinach
451
w zalenoci od prdkoci jazdy, moe wynika z bdu pomiaru (rys. 4a). W przypadku
poruszania si obiektu badawczego z prdkoci 100 km/h, obserwowane stosunkowo
due wartoci emisji wszystkich substancji szkodliwych wynikaj ze znacznie
zwikszajcego si oddziaywania oporu aerodynamicznego na jadcy pojazd po
przekroczeniu (przyjtej powszechnie jako tzw. „ekonomicznej”) prdkoci 90 km/h.
Obserwujc wartoci emisji drogowej analizowanych zwizków spalin mona zauway,
i wzrost prdkoci jazdy o zaledwie 10 km/h skutkuje zwikszeniem si tej emisji nawet
a o blisko 50% – jak w przypadku emisji wglowodorów (rys. 4c).
a)
b)
c)
d)
Rys. 4. Wartoci emisji drogowej uzyskane dla poszczególnej prdkoci jazdy:
a) tlenku wgla, b) dwutlenku wgla, c) wglowodorów, d) tlenków azotu
W celu wykazania dokadnych rónic w emisji drogowej tlenku i dwutlenku wgla,
wglowodorów oraz tlenków azotu obliczono wzgldn rónic procentow emisji wobec
stosowanej „porównawczej”, sporód trzech analizowanych, prdkoci jazdy – 90 km/h.
W formie zbiorczej zaprezentowano to na rysunku 5. Z zestawienia wynika, e najbardziej
zauwaalna, w przypadku jazdy z prdkoci 70 km/h, jest redukcja zawartoci CO2
w spalinach (spadek wartoci emisji o ponad 40%) oraz redukcja emisji NOx –
zmniejszenie o prawie 60%. Natomiast w przypadku V = 100 km/h najwyraniej
uwidoczniony jest wzrost wartoci emisji drogowej wglowodorów. Jak ju wspomniano
zwikszenie emisji wglowodorów wynosi wtedy okoo 50%.
452
Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski, Jacek Pielecha
Rys. 5. Procentowa rónica w emisji substancji szkodliwych w wyniku
zastosowania rónej prdkoci jazdy (wzgldem 90 km/h)
4. WNIOSKI
Wykonane badania drogowe samochodu osobowego w rzeczywistych warunkach jego
eksploatacji uwidoczniy znaczcy wpyw osiganej prdkoci jazdy na emisj gazowych
substancji w spalinach. Naley wskaza na znaczco mniejsz emisj drogow tych
zwizków w przypadku jazdy z V = 70 km/h (wobec prdkoci 90 km/h) oraz znaczcy
wzrost wartoci emisji przy samochodzie poruszajcym si z V = 100 km/h. Na drogach
do czsto mona zaobserwowa stosowanie przez kierowców nadmiernej prdkoci
jazdy. Majc na uwadze wnioski wycignite z przeprowadzonych bada warto podkreli,
e moe to w duym stopniu wpywa na rodowisko naturalne i czowieka. Warto wic
racjonalnie podchodzi do kwestii sposobu eksploatacji (prdko jazdy) wszelkich
pojazdów.
Wykonane badania byy badaniami wstpnymi. Aby peniej okreli wpyw prdkoci
jazdy samochodem na waciwoci ekologiczne pojazdu naley poszerzy badania.
Kierunkiem dalszych prac bdzie midzy innymi przeprowadzenie bada toksycznoci
spalin wikszej liczby pojazdów (równie z silnikami o zaponie iskrowym i zasilanych
rónymi paliwami: LPG oraz CNG), w tym pojazdów innych kategorii homologacyjnych
typu: LDV (Light Duty Vehicle – lekki pojazd uytkowy) i HDV (Heavy Duty Vehicle –
pojazd ciarowy).
Badania zostay sfinansowane ze rodków Narodowego Centrum Nauki – projekt
badawczy promotorski (umowa nr 5623/B/T02/2011/40).
Prdko 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-Biaa 2011.
3. Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: Emisja zanieczyszcze motoryzacyjnych w wietle nowych
przepisów Unii Europejskiej. Wydawnictwa Komunikacji i cznoci, Warszawa 2012.
4. Piechna J.: Podstawy aerodynamiki pojazdów. Wydawnictwa Komunikacji i cznoci, 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