SKRÓTY I OZNACZENIA
4. METODY BADAŃ EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Z AUTOBUSÓW
4.2. Badania w testach jezdnych
Oprócz badań homologacyjnych, gdzie badana jest emisja zanieczyszczeń z silnika autobusu wraz z układem oczyszczania gazów wylotowych na silnikowym stanowisku hamulcowym, wykonywane są również badania całych pojazdów na hamowni podwoziowej lub w warunkach drogowych [41]. Opracowanie tego typu pomiarów ma swoje źródło w konieczności oceny energochłonności tej grupy pojazdów w warunkach drogowych. W przypadku autobusów miejskich miarą energochłonności układu napędowego jest przebiegowe zużycie paliwa. Właśnie zużycie paliwa stanowi główny koszt eksploatacyjny dla danego operatora komunikacyjnego. W związku z tym należało opracować metody jego dokładnej oceny w warunkach charakteryzujących ruch drogowy dla danej aglomeracji miejskiej.
Zmienna prędkość pojazdu samochodowego wynika przede wszystkich z konieczności dostosowania jego profilu prędkości do warunków drogowych, które są zależne od infrastruktury drogowej oraz potoku poruszających się po niej pojazdów. W pracy [59] uwidoczniono, że profil prędkości samochodu, przebywającego odpowiednio długi odcinek drogi, charakteryzują powtarzające się okresowo (w sposób nieregularny) moduły, obejmujące rozpędzanie, odcinki jazdy ze stałą prędkością, zwalnianie oraz hamowanie. Profile prędkości każdego z modułów różnią się czasem trwania poszczególnych faz ruchu, a także zakresem i intensywnością zmiany prędkości. W ruchu miejskim moduły te są z reguły krótkie i oddzielone okresami postoju. W literaturze cykl jezdny określany jest jako profil ruchu pojazdu zdefiniowany funkcją zmiany prędkości pojazdu V = f(t), funkcją zmiany prędkości obrotowej wału korbowego silnika spalinowego n = f(t) i zmianą obciążenia silnika M = f(t) [54]. Profil ruchu może być również określony w postaci zmian mocy Nk = f(t) lub momentu Mk = f(t) na kołach jezdnych w funkcji czasu. Powtarzalne cykle jezdne stanowią podstawę analizy energetycznej pojazdu. Cykle V = f(t) nie są bezpośrednio związane z rodzajem pojazdu, ale odnoszą się do warunków ruchu w danej aglomeracji miejskiej. Natomiast cykle Nk = f(t) oraz Mk = f(t) zawierają już dane szczególne dla określonego pojazdu.
Dla cykli w postaci V = f(t) wprowadzono następujące definicje cykli [59]:
cykl statystyczny – zlinearyzowany rozkład prędkości w czasie uzyskany metodami statystyki, który obrazuje średnie warunki jazdy w mieście w postaci hamowań i postojów uwzględniający w dużym zakresie właściwości komunikacyjne danej aglomeracji;
cykl rzeczywisty – rozkład prędkości w czasie dla danego pojazdu poruszającego się cyklicznie po wcześniej ustalonej trasie;
cykl prosty jazdy – rozkład prędkości w czasie dla ruchu przyspieszonego, ustalonego i opóźnionego, przy czym przyspieszenie i opóźnienie jest stałe i równe sobie co do wartości bezwzględnej;
cykl zastępczy, reprezentatywny – cykl prosty uzyskany przez analizę rzeczywistego cyklu jezdnego.
Ze względu na profil prędkości cykle jezdne możemy podzielić na [54]:
o trapezowe, o trójkątne,
o złożone wielosegmentowe:
o trapezowe, o mieszane.
Na rysunku 4.7 przedstawiono przykładowy schemat cyklu jezdnego.
Nk – moc pędna, V = const z żądanym przyspieszeniem, wydatkowana z akumulatora,
E3 – energia w wyniku hamowania odzyskowego przesyłana od kół jezdnych do akumulatora, z mocą zależną od energii kinetycznej pojazdu i opóźnień ruchu (rekuperacja energii).
Rys. 4.7. Ilustracja cyklu jezdnego opisanego funkcją: a) V = (t), b) N = f(t) [59]
Na podstawie rejestracji parametrów ruchu pojazdu (prędkość i przyspieszenie) opracowano szereg cykli reprezentatywnych dla danych aglomeracji miejskich zarówno europejskich, jak i światowych. W Europie pierwszym powszechnie wykorzystywanym cyklem jezdnym do badań pojazdów komunikacji miejskiej jest Braunschweig Cycle (rys. 4.8). Cykl ten opracowano na Uniwersytecie Technicznym w Braunschweigu i zakłada on odwzorowanie ruchu pojazdu w warunkach rzeczywistych z częstymi przystankami. Zaliczany jest do grupy wymagających cykli jezdnych i wykorzystywany jest w wielu projektach naukowo-badawczych. Cykl Braunschweig cechują następujące założenia [21]:
czas trwania: 1740 s,
średnia prędkość pojazdu: 22,9 km/h,
prędkość maksymalna pojazdu: 58,2 km/h,
udział biegu jałowego w teście wynosi 22% (pierwszy i ostatni segment nie zawierają udziału biegu jałowego),
droga: 11 km.
Kolejnym przykładem cyklu jezdnego dla autobusów miejskich jest BP Bus Cycle opracowany przez brytyjskie przedsiębiorstwo naftowe British Petroleum (rys. 4.9).
Rys. 4.8. Przebieg testu jezdnego Braunschweig Cycle jako funkcja czasu V = f(t) [41]
Jego przebieg jest odmienny niż pozostałych znormalizowanych testów jezdnych – nie składa się z powtarzalnych segmentów oraz nie stanowi on odzwierciedlenia typowych warunków jazdy autobusów miejskich. W teście tym wyróżnić można trzy fazy postoju pojazdu. Pozostałą cześć testu stanowią fazy przyspieszenia i opóźnienia, które w danym segmencie przyjmują stałe wartości. W teście tym nie występuje faza jazdy ze stałą prędkością. Odtworzenie przebiegu testu BP Bus Cycle w warunkach rzeczywistych może być znacząco utrudnione i należałoby przyjąć duże pole tolerancji prędkości, które może powodować rozrzut wyników. Wpłynie to negatywnie na zapewnienie powtarzalności pomiarów. BP Bus Cycle cechują następujące parametry:
czas trwania: 903 s,
średnia prędkość pojazdu: 22,2 km/h,
prędkość maksymalna pojazdu: 59 km/h,
średnie przyspieszenie pojazdu: 0,086 m/s2,
średnie opóźnienie pojazdu: 0,33 m/s2,
droga:5,6 km.
Rys. 4.9. Przebieg testu jezdnego BP Bus Cycle opisany funkcją V = f(t) [41]
Następną grupą testów jezdnych wykorzystywanych do badań autobusów miejskich w Europie są Helsinki Drive Cycles opracowane przez VTT RTE [20]. Założeniem tych testów jest odwzorowanie różnych warunków ruchu drogowego w Helsinkach.
W związku z tym wyróżniono trzy typy testów (rys. 4.10):
Helsinki 1,
Helsinki 2,
Helsinki 3.
a) b)
c)
Rys. 4.10. Przebieg testów jezdnych Helsinki Drive Cycle: a) Helsinki 1, b) Helsinki 2, c) Helsinki 3 [41]
W Stanach Zjednoczonych do badań przebiegowego zużycia paliwa oraz emisji spalin pojazdów użytkowych wykorzystuje się głównie trzy cykle jezdne: New York Bus Cycle, Manhattan Bus Cycle oraz Orange Country Bus Cycle. Cykl New York Bus Cycle odzwierciedla rzeczywisty profil prędkości autobusów poruszających się po Nowym Jorku – częste przystanki, zmienne wartości prędkości (rys. 4.11).
Rys. 4.11. Przebieg testu jezdnego New York Bus Cycle jako funkcja czasu V = f(t) [41]
Poniżej przedstawiono wybrane parametry cyklu jezdnego [41]:
czas trwania testu: 600 s,
średnia prędkość pojazdu:5,9 km/h (3,7 mph),
średnia prędkość pojazdu bez przystanków: 17,1 km/h (10,6 mph),
prędkość maksymalna pojazdu: 49,6 km/h (30,8 mph),
maksymalne przyspieszenie pojazdu: 2,7 m/s2,
średnie przyspieszenie pojazdu: 1,1 m/s2,
droga: 0,9 km,
liczba przystanków: 11.
Manhattan Bus Cycle wyznaczono na podstawie rzeczywistych profili prędkości autobusów poruszających po dzielnicy Nowego Jorku – Manhattanie (rys. 4.12).
Poniżej przedstawiono wybrane parametry testu [64]:
czas trwania 1089 s,
prędkość maksymalna 40,9 km/h (25,4 mph),
średnia prędkość: 11 km/h (6,8 mph),
droga: 3,3 km.
Rys. 4.12. Przebieg testu jezdnego Manhattan Bus Cycle jako funkcja czasu V = f(t) [41]
Przedstawione testy jezdne do badania autobusów miejskich są najpowszechniej wykorzystywane na świecie. Oprócz tych testów wyróżnić można szereg innych (tab.
4.3). W zaprezentowanych cyklach badany jest cały pojazd na specjalnej hamowni podwoziowej przeznaczonej do badań pojazdów ciężkich (rys. 4.13). Jako przykład takiego rozwiązania można przedstawić hamownię podwoziową AVL ROADSIM 72"
MIM TRUCK™ Chassis Dynamometer austriackiej firmy AVL GmbH (rys. 4.13a). Na stanowisku tym badaniom mogą być poddawane pojazdy o mocy maksymalnej 450 kW, rozwijające prędkość nie przekraczającą 160 km/h. Maksymalny nacisk na oś takiego pojazdu wynosi 20 000 kg. Średnica rolki tej hamowni wynosi ~1,8 m, a jej szerokość 0,9 m. Odległość między zewnętrznymi krawędziami rolek wynosi 3,0 m [29].
Ze względu na złożoność oraz duży koszt budowy i eksploatacji hamowni podwoziowych przeznaczonych do badań pojazdów HDV ich liczba na świecie jest niewielka w porównaniu do hamowni dedykowanych dla pojazdów PC i LDV. Był to jeden z czynników ograniczających ocenę przebiegowego zużycia paliwa w warunkach
ruchu miejskiego, bądź w cyklach odwzorowujących ruch w głównych aglomeracjach miejskich. Zużycie paliwa jest podstawowym kosztem dla operatorów komunikacyjnych i dlatego przy zakupie nowych autobusów jest jednym z głównych parametrów decydujących o wyborze konfiguracji pojazdu – dostosowanie silnika spalinowego do warunków ruchu w aspekcie zapewnienia maksymalnej efektywności przewozów.
Tabela 4.3. Charakterystyka testów jezdnych wykorzystywanych do badań autobusów komunikacji miejskiej
Rys. 4.13 Hamownia podwoziowa przeznaczona do badania pojazdów kategorii HDV: a) ciągnik siodłowy, b) autobus miejski
W związku z tym wiele przedsiębiorstw komunikacji miejskiej opracowało własne testy jezdne do oceny przebiegowego zużycia paliwa. Przytoczyć tutaj można jako przykład cykl Częstochowski, Warszawski, Wrocławski czy Poznański. Mają one charakter złożonych, powtarzalnych trapezowych profili prędkości. Badany pojazd musi uzyskać profil określony w danym cyklu, aby przejazd uznać za ważny. Dopuszczalne
są pewne odchyłki, ale muszą one zawierać się w granicach błędu statystycznego.
Podczas przejazdu pojazdu mierzone jest zużycie paliwa. Różnorodność cykli utrudnia w dużym stopniu procedury przetargowe, ponieważ producent dla tego samego typu autobusu musi wykonywać wiele pomiarów zużycia paliwa w różnych cyklach – w zależności od danej aglomeracji.
Konieczne zatem było opracowanie utylitarnych procedur dedykowanych do badania autobusów miejskich w warunkach drogowych, które będą stanowiły reprezentację warunków ruchu głównych europejskich aglomeracji. UITP (International Association of Public Transport) wyszło naprzeciw oczekiwaniom i opracowało testy jezdne SORT (Standardised On-Road Test Cycles). Podstawową ideą testów tych jest możliwość zbudowania wielomodułowego testu składającego z podstawowych cykli, które odzwierciedlają warunki ruchu w danym mieście. Kluczowymi parametrami decydującym o przydatności testów jezdnych jest ich powtarzalność, prostota i dokładność. Dlatego też zaproponowane testy jezdne SORT składają się z długich cykli, a te z powtarzalnych modułów, dzięki czemu kierowca testowy po ustabilizowania stylu jazdy jest w stanie osiągnąć dużą powtarzalność przejazdów.
Podstawowy moduł cyklu opisany jest przez średnią prędkość jazdy, długość trasy i czas pokonywania przejazdu. Parametry te tworzą profil prędkości charakterystyczny dla danej trasy z uwzględnieniem zatrzymywania się na przystankach i na światłach, ruszania z przystanku oraz jazdy ze stałą prędkością. Struktura kompletnego cyklu (rys.
4.14) powinna się składać z:
liczby profili prędkości,
liczby cykli podstawowych,
wartości przyspieszenia,
wartości opóźnienia (hamowania),
prędkości maksymalnej,
czasu postoju na przystankach.
Rys. 4.14. Struktura kompletnego cyklu jezdnego według założeń przyjętych przez UITP przy opracowywaniu testów jezdnych SORT [12]
Specjaliści z UITP założyli, że cykl podstawowy będzie miał charakter trapezu składającego się z 4 części (rys. 4.15). Pierwsza z nich (1‒2) obejmuje rozruch pojazdu i jego przyspieszanie, aż do osiągnięcia stałej prędkości jazdy (2). Następnie pojazd po przejechaniu określonego dystansu ze stałą prędkością rozpocznie hamowanie (3‒4) do całkowitego zatrzymania pojazdu, po czym nastąpi krótki postój. Przyjęto, że we wszystkich przypadkach wartość opóźnienia pojazdu będzie wynosić 0,8 m/s2. Taki profil prędkości ma zadanie odwzorowywać przejazd autobusu między kolejnymi zatrzymaniami (przystanki lub węzły komunikacyjne).
Rys. 4.15. Pojedynczy profil prędkości wykorzystywany do budowy kompletnego cyklu jezdnego [6]
Przy opracowaniu kompletnych cykli jezdnych SORT przeprowadzono szereg pomiarów mających na celu zdefiniowanie warunków ruchu w europejskich miastach zróżnicowanych w aspekcie liczby ludności, struktury infrastruktury drogowej oraz gęstości sieci komunikacyjnej. Badania przeprowadzone przez UITP wykazały, że warunki eksploatacji autobusów miejskich można podzielić na trasy miejskie i pozamiejskie (rys. 4.16). Przyjęto, że średnia prędkość autobusu w miastach nie przekracza 17 km/h, a na trasach podmiejskich wynosi 27 km/h.
Rys. 4.16. Podział tras eksploatacji autobusów na miejskie i pozamiejskie [45]
Po przeprowadzeniu badań weryfikacyjnych UITP ustaliła, że najlepszym rozwiązaniem jest zaproponowanie trzech typów testów (rys. 4.17), których charakterystyka jest przedstawiona w tabeli 4.4:
SORT 1 – Heavy Urban (odzwierciedlający warunki eksploatacji w centrum
dużych miast),
SORT 2 – Easy Urban (odzwierciedlający warunki eksploatacji występujące dla typowej trasy miejskiej),
SORT 3 – Suburban (odzwierciedlający warunki eksploatacji autobusów komunikacji zbiorowej na przedmieściach dużych miast i na trasach wewnętrznych mniejszych miast).
a) b)
c)
Rys. 4.17. Profile prędkości testów jezdnych SORT: a) SORT 1, b) SORT 2, b) SORT 3 [55]
Wykonanie pomiarów w testach jezdnych SORT wymaga spełnienia wielu wymagań określonych z metodyce opublikowanej przez UITP. Odcinek pomiarowy powinien być prostoliniowy, umożliwiający wykonanie pełnego cyklu, i płaski (maksymalne dopuszczalne nachylenie wynosi 1,5%). Nawierzchnia powinna być sucha i dobrej jakości. Pomiary powinny być wykonane w temperaturze zawierającej się przedziale 0‒30oC przy wilgotności względnej nie przekraczającej 95%. Prędkość wiatru podczas badań nie powinna przekraczać 3 m/s, przy czym dopuszczalne jest w porywach do 8 m/s. Obiekt badawczy powinien być sprawny technicznie oraz płyny eksploatacyjne powinny być uzupełnione do poziomu nominalnego. Podobnie w przypadku ciśnienia w ogumieniu. Pojazd należy obciążyć symulującym rzeczywistą eksploatację ładunkiem.
Podczas wykonywania pomiarów układy klimatyzacji i ogrzewania oraz oświetlenie wewnętrzne pojazdu muszą być wyłączone. Drzwi powinny być otwierane przy ostatnim postoju.
Podstawowym wymaganiem jest wykonywanie pomiarów w obu kierunkach na tym samym odcinku, co pozwala zminimalizować wpływ niektórych czynników na wynik
pomiarów (np. wiatru, ewentualnego nachylenia drogi). Ponadto wymagane jest przeprowadzanie pomiarów bezpośrednio po sobie, co pozwala utrzymać odpowiedni stan cieplny układu napędowego i jezdnego.
Tabela 4.4. Charakterystyka testów jezdnych SORT [55]
SORT 1 SORT 2 SORT 3
Prędkość średnia[km/h] 12,6 18,6 26,3
Udział postoju w teście [%] 39,7 33,4 20,1
Prędkość stała w profilu 1 [km/h]/[m] 20/100 20/100 30/200
Przyspieszenie w profilu 1 [m/s2] 1,03 1,03 0,77
Prędkość stała w profilu 2[km/h]/[m] 20/200 40/220 50/600
Przyspieszenie w profilu 2 [m/s2] 0,77 0,62 0,57
Prędkość stała w profilu 3 [km/h]/[m] 40/220 50/600 60/650
Przyspieszenie w profilu 3 [m/s2] 0,62 0,57 0,46
Czas postoju po każdym profilu [s] 20/20/20 20/20/20 20/10/10
Droga pokonywana w teście [m] 520 920 1450
Opóźnienie w profilach prędkości
[m/s2] 0,8 0,8 0,8
Wszystkie wymienione powyżej parametry oraz dane identyfikacyjne badanego autobusu muszą zostać odnotowane w sprawozdaniu z badań. Procedura SORT rekomenduje metodykę polegającą na odmierzeniu odcinków drogi dla danego cyklu bazowego, poprzez ustawienie pachołków wyznaczających miejsce zmiany faz ruchu.
W ramach każdej z sekcji należy oznaczyć punkty: przejścia z fazy przyspieszania do fazy prędkości stałej, przejścia z fazy prędkości stałej do fazy hamowania i zatrzymania.
Realizacja pomiarów według tej metodyki wymaga wielu przejazdów dla uzyskania właściwej techniki jazdy przez kierowcę.
Metodyka SORT zakłada również sposób obliczania reprezentatywnej wartości średniej z serii pomiarów zużycia paliwa. Procedura ta składa się z:
uszeregowanie wyników zużycia paliwa, uzyskanych dla danego kierunku ruchu w porządku rosnącym,
selekcję reprezentatywnej grupy pomiarów poprzez obliczenie względnych różnic dla każdej kolejnej grupy trzech pomiarów według zależności:
% najmniejszej względnej różnicy δ (zalecane δ < 2),
obliczanie średniej arytmetycznej z wybranych dwóch grup pomiarów, po jednej dla każdego kierunku ruchu.
W praktyce zastosowanie powyższej procedury oznacza zazwyczaj konieczność wykonania większej liczby przejazdów pomiarowych. W pierwszej kolejności, z otrzymanych wyników zostają odrzucone przejazdy o niewłaściwym profilu prędkości.
W następnym kroku wyniki zużycia paliwa z pozostałych przejazdów (uznanych za
prawidłowe) są klasyfikowane wg opisanej wyżej metody. Kolejnym etapem opracowania wyników badań jest skorygowanie wyników ze względu na temperaturę paliwa, według zależności:
o p
r C t t
C 1 (4.6)
gdzie:
Cr – zużycie paliwa skorygowane [dm3/100 km], C – zużycie paliwa zmierzone [dm3 /100 km],
α – współczynnik rozszerzalności objętościowej paliwa, to – temperatura odniesienia wynosząca 20ºC,
tp – temperatura paliwa w trakcie pomiarów [ºC].
Ostatecznie, wynik zużycia paliwa dla danego cyklu bazowego jest obliczany jako średnia arytmetyczna z wartości zredukowanych (po 3 w każdym kierunku), z jednoczesnym wskazaniem niepewności pomiaru.
Wyniki badań realizowanych w warunkach laboratoryjnych mogą znacznie różnić się od rzeczywistej emisyjności pojazdu. Dla pojazdów HDV, ze względu na ich gabaryty oraz generowane moce przez silniki spalinowe, a także koszty, pomiary wykonuje się jedynie dla samych jednostek spalinowych na stanowiskach badawczych. Nadchodzące zmiany w przepisach odnoszących się do emisji, w szczególności dla grupy pojazdów HDV, uwidaczniają, że niezbędne staje się podejmowanie tematyki pomiarów wykonywanych w warunkach rzeczywistej eksploatacji (RDE). Prace nad tymi procedurami trwają obecnie i planowane jest ich włączone do procedur legislacyjnych w 2017 roku. Opracowywane procedury zgodności emisyjnej w warunkach drogowych należy dostosowywać do przeznaczenia pojazdu w zastępczych cyklach jezdnych, które w dokładny sposób będą charakteryzowały warunki w ruchu miejskim ponieważ w zależności od przeznaczenia silniki spalinowe tych pojazdów pracują przy różnych parametrach. Wykonując tego typu badaniach nieodzowne staje się wykorzystywanie nowoczesnej aparatury mobilnej typu PEMS, która niesie za sobą szereg nowych możliwości związanych z analizą wskaźników ekologicznych.