6. Wyniki badań własnych i ich analiza
6.2. Badania w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego
6.2.3. Badania w terenie górzystym pojazdu z silnikiem ZI
Ostatni etap badań dotyczył pomiarów emisji zanieczyszczeń w spalinach dla pojaz-du z silnikiem ZI w terenie górzystym. Przykładowe dane rejestrowane podczas prze-jazdu podano na rys. 6.95, na którym największy obszar pracy silnika wyznacza linia łącząca bieg jałowy silnika z dużym obciążeniem przy prędkości obrotowej 2500 obr/min. Natomiast na rysunkach 6.96–6.102 zaprezentowano przebiegi rejestracji po-szczególnych związków szkodliwych.
Rys. 6.95. Warunki pracy silnika we współrzędnych prędkość obrotowa–obciążenie podczas badań drogowych (silnik ZI, teren górzysty)
Stężenie tlenku węgla na badanym odcinku trasy w większości było na poziomie poniżej 0,01% (w dużej części trasy poniżej tej wartości, a więc nie przekraczało 100 ppm). Jednakże pojedyncze dynamiczne warunki pracy silnika skutkowały nagłym zwiększeniem stężenia, co w konsekwencji skutkowało natężeniem emisji CO docho-dzącym do ponad 40 mg/s (rys. 6.96).
Rys. 6.96. Stężenie i natężenie tlenku węgla zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren górzysty)
Stężenie węglowodorów podczas badań nie przekraczało 10–20 ppm. Pojedyncze uwarunkowania drogowe wymagały nagłego zwiększenia dawki paliwa, co skutkowało
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1000 1500 2000 2500 3000
Z [%]
n [obr/min]
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
CO[mg/s]
CO [%]
t [s]
zwiększonym stężeniem węglowodorów do wartości 30 ppm. Natomiast wartości natę-żenia emisji tego związku, z wyjątkiem początkowego i końcowego okresu, nie prze-kraczały 1 mg/s (rys. 6.97). Również stężenie tlenków azotu w całym teście było na bardzo niskim poziomie. Uzyskane małe wartości tego składnika były wynikiem spraw-nie działającego trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. Natężespraw-nie emisji tlenków azo-tu podczas całego tesazo-tu było minimalne i nie przekraczało 0,1–0,2 mg/s. Rozrzuty od tej wartości wynikały z normalnej pracy silnika i nie zaobserwowano przypadków, w któ-rych natężenie emisji przekraczało w sposób znaczący typowych wartości rejestrowa-nych (rys. 6.98).
Stężenie dwutlenku węgla prezentowane na rys. 6.99 wynosi maksymalnie 13%.
Wartości mniejsze od 13% są wynikiem przepływu większej masy powietrza w stosun-ku do masy paliwa i występują w okresach gwałtownego odcięcia dawki paliwa, przy wymuszonym przepływie powietrza w układzie dolotowym silnika.
Rys. 6.97. Stężenie i natężenie węglowodorów zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren górzysty)
Rys. 6.98. Stężenie i natężenie tlenków azotu zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren górzysty)
Natężenie emisji dwutlenku węgla jest efektem stężenia tego związku w spalinach, zależnego od natężenia przepływu spalin (które jest sumą natężenia przepływu powie-trza i zużycia paliwa). W przeważającej części testu wartość natężenia emisji dwutlenku
-5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
HC[mg/s]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
NOx[mg/s]
NOx[ppm]
t [s]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 112 węgla zawierała się w granicach do 10000 mg/s. W przypadku stężenia cząstek stałych określanych w miligramach na metr sześcienny, obserwowano wartości w zakresie do 0,3 mg/m3 w początkowym okresie pracy pojazdu, a następnie wartości stężenia ulegały zmniejszeniu do poziomu minimalnego, a w końcowym etapie testu osiągały wartości do 0,2 mg/m3. Charakter zmian natężenia emisji cząstek stałych był zgodny ze zmiana-mi ich stężenia i tylko nieznacznie przekraczał wartości 0,1 mg/s, natozmiana-miast przeważnie nie przekraczał 0,02 mg/s (rys. 6.100). Charakter zmian liczby cząstek był odmienny od charakteru zmian masy cząstek: w początkowych etapach testu tworzone były duże cząstki o stosunkowo małej liczbie (potwierdzenie z poprzedniego wykresu), natomiast w drugiej części trasy tworzyły się cząstki mniejsze (stąd większa ich liczba – rys.
6.101) o zdecydowanie mniejszej masie. Rejestracja natężenia liczby cząstek stałych pozwoliła na oszacowanie całkowitej ich liczby podczas przejazdu.
Rys. 6.99. Stężenie i natężenie dwutlenku węgla zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren górzysty)
Rys. 6.100. Stężenie i natężenie masy cząstek stałych zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren górzysty)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
CO2[mg/s]
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
PM[mg/s]
PM [mg/m3]
t [s]
Rys. 6.101. Stężenie i natężenie liczby cząstek stałych zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren górzysty)
Zarejestrowane przebiegi poszczególnych zanieczyszczeń pozwoliły na opracowanie zależności charakteryzujących wpływ dynamicznych właściwości pojazdu (lub silnika) na emisję związków szkodliwych z uwzględnieniem wyników całej trasy pomiarowej.
Dynamiczne właściwości pojazdu (lub silnika) uwzględniono w sposób pośredni, wyko-rzystując podział całego zakresu prędkości oraz przyspieszenia (w przypadku silnika:
zakresu prędkości obrotowej i obciążenia) w rzeczywistych warunkach ruchu do wyko-nania macierzy natężenia emisji. Wykorzystane dane uśredniono w ramach poszczegól-nych przedziałów prędkości i przyspieszeń (w przypadku silnika: prędkości obrotowej i obciążenia), otrzymując charakterystykę udziału pracy silnika w poszczególnych prze-działach oraz charakterystyki macierzy emisji poszczególnych związków szkodliwych.
Największy udział pracy silnika w badanych warunkach ruchu przypada na obszar śred-nich prędkości (9–18 m/s) i niewielkiego przyspieszenia (0–1 m/s2) (rys. 6.102). Mak-symalne natężenie emisji tlenku węgla (rys. 6.103), określone w miligramach na sekun-dę, rozłożone są w obszarze maksymalnych prędkości pojazdu oraz jego maksymalnego przyspieszenia w zakresie od 1 do 2 m/s2.
Rys. 6.102. Charakterystyka udziału czasu pracy pojazdu – w przedziałach prędkości i przyspie-szenia (silnik ZI, teren górzysty)
-1,0E+11
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
PN[szt/s]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 114
Rys. 6.103. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren górzysty) Natężenie emisji węglowodorów jest podobne do natężenia emisji tlenku węgla i występuje w tych samych obszarach pracy ale rozszerzonych na prędkości jazdy od 6 m/s (rys. 56.104). Również podobne właściwości obserwuje się dla natężenia emisji tlenków azotu. Skorelowane z dwoma poprzednimi związkami – dzięki reaktorowi kata-litycznemu - występują w większych wartościach w obszarach pracy silnika o dużych natężeniach przepływu spalin – a więc w obszarze maksymalnej prędkości jazdy i przy-spieszenia (rys. 6.105). Charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla jest ściśle zależna od prędkości jazdy pojazdu i jego przyspieszenia. Wartości tego natężenia dla parametrów maksymalnych wynoszą około 15000 mg/s, a jednocześnie zależą wprost proporcjonalnie od opisywanych parametrów (prędkości jazdy i przyspieszenia pojaz-du); jest ona zgodna co do charakteru z sekundowym zużyciem paliwa (rys. 6.106).
Charakter zmiany natężenia masy cząstek stałych jest również podobny do zależności poprzednich: dla obszaru prędkości maksymalnej pojazdu i maksymalnego przyspiesze-nia występuje zwiększona emisja tego zanieczyszczeprzyspiesze-nia, natomiast w pozostałym ob-szarze odnotowano bardzo małe wartości emisji cząstek stałych (rys. 6.107). Podobna sytuacja dotyczy liczby cząstek stałych – kilkukrotnie większe wartości obserwowano jedynie dla obszaru pracy charakteryzującego się dużą wartością prędkości i przyspie-szenia pojazdu (rys. 6.108).
Rys. 6.104. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji węglowodorów odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren górzysty)
-2
Rys. 6.105. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren górzysty)
Rys. 6.106. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren górzysty)
Rys. 6.107. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji masy cząstek stałych odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren górzysty)
-2
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 116
Rys. 6.108. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji liczby cząstek stałych odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren górzysty) W celu rozpatrzenia wpływu nachylenia drogi na wzrost emisji zanieczyszczeń po-dzielono całą trasę przejazdu na obszary o następujących nachyleniach drogi, do któ-rych przydzielono wartości emisji zanieczyszczeń (rys. 6.109):
A = –10% dla Ai ϵ (–15; –7,5), A = –5% dla Ai ϵ <–7,5; –2,5), A = 0% dla Ai ϵ <–2,5; 2,5), A = 5% dla Ai ϵ <2,5; 7,5), A = 10% dla Ai ϵ <7,5; 15).
Wartości emisji zanieczyszczeń dla nachylenia drogi mniejszego od –15% oraz większego od 15% pominięto, ze względu na bardzo małą liczność takich zbiorów.
Dla każdego przedziału nachylenia drogi tzn. [–10, –5, 0, 5, 10] wyznaczono warto-ści emisji drogowej w każdej sekundzie odcinka testowego dla każdego zanieczyszcze-nia spalin (rys. 6.110–6.115). Następnie wyznaczona wartość średzanieczyszcze-nia emisji drogowej zanieczyszczeń pozwoliła na wyznaczenie zależności funkcyjnych (liniowych) repre-zentujących wartości emisji drogowych zanieczyszczeń od kąta nachylenia drogi.
Rys. 6.109. Charakterystyka udziału pracy pojazdu dla różnej wartości nachylenia drogi
-2 -1,5
-1 -0,5
0 0,5
1 1,5
2
0,0E+00 1,0E+10 2,0E+10 3,0E+10 4,0E+10 5,0E+10
0 3 6 9 12 15 18 21 24
a [m/s2]
PN [szt/s]
V [m/s]
6,1
10,9
52,9
18,3
11,8
0 10 20 30 40 50 60
-10 -5 0 5 10
Udział procentowy pracy pojazdu [%]
Nachylenie drogi A [%]
Rys. 6.110. Zależność średniej emisji drogowej tlenku węgla od nachylenia drogi
Rys. 6.111. Zależność średniej emisji drogowej węglowodorów od nachylenia drogi
Rys. 6.112. Zależność średniej emisji drogowej tlenków azotu od nachylenia drogi
0,03 0,10
Średnia emisja drogowa CO [g/km]
Nachylenie drogi [%]
Średnia emisja drogowa HC [g/km]
Nachylenie drogi [%]
Średnia emisja drogowa NOx [g/km]
Nachylenie drogi [%]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 118
Rys. 6.113. Zależność średniej emisji drogowej dwutlenku węgla od nachylenia drogi
Rys. 6.114. Zależność średniej emisji drogowej masy cząstek stałych od nachylenia drogi
Rys. 6.115. Zależność średniej emisji drogowej liczby cząstek stałych od nachylenia drogi
105 122
Średnia emisja drogowa CO2[g/km]
Nachylenie drogi [%]
Średnia emisja drogowa PM [g/km]
Nachylenie drogi [%]
Średnia emisja drogowa PN [szt/km]
Nachylenie drogi [%]
We wszystkich rozpatrywanych przypadkach uzyskano ten sam charakter zależności:
wraz ze zwiększaniem się nachylenia drogi zwiększa się emisja drogowa wszystkich analizowanych składników spalin, jednakże wzrost ten jest inny dla różnych zanie-czyszczeń. Wyznaczone zależności charakteryzujące emisję drogową poszczególnych zanieczyszczeń w funkcji nachylenia drogi są następujące:
– dla emisji drogowej tlenku węgla:
bCO = 0,051 A + 0,42; R2 = 0,95 – dla emisji drogowej węglowodorów:
bHC = 0,0066 A + 0,082; R2 = 0,94 – dla emisji drogowej tlenków azotu:
bNOx = 0,002 A + 0,02; R2 = 0,91 – dla emisji drogowej dwutlenku węgla:
bCO2 = 25,93 A + 315; R2 = 0,96 – dla emisji drogowej masy cząstek stałych:
bPM = 0,0002 A + 0,0012; R2 = 0,85 – dla emisji drogowej liczby cząstek stałych:
bPN = 3∙107 A + 4∙108; R2 = 0,97.
Porównanie względnych wartości współczynników równań uwidacznia charakter krotności zmian emisji drogowej przy zmianie nachylenia dodatniego i ujemnego drogi od wartości równej zero (rys. 6.116). Analiza tego wykresu uwidacznia, że największa zmiana emisji drogowej przy zmianie nachylenia drogi dotyczy (w kolejności malejące-go znaczenia):
1) emisji drogowej masy cząstek stałych, 2) emisji drogowej tlenku węgla,
3) emisji drogowej tlenków azotu, 4) emisji drogowej węglowodorów, 5) emisji drogowej dwutlenku węgla, 6) emisji drogowej liczby cząstek stałych.
Rys. 6.116. Względna zmiana emisji drogowej zanieczyszczeń przy zmianie nachylenia drogi
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
-15 -10 -5 0 5 10 15
Krotnoość zwiększenia emisji
Nachylenie drogi [%]
PM CO NOx HC CO2 PN
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 120