6. Wyniki badań własnych i ich analiza
6.2. Badania w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego
6.2.2. Badania w terenie górzystym pojazdu z silnikiem ZS
Podczas badań pojazdu z silnikiem ZS dokonano pomiarów emisji sekundowej za-nieczyszczeń w spalinach oraz zmiany prędkości obrotowej silnika i obciążenia – para-metrów odczytanych z systemu diagnostycznego pojazdów. Rejestrowane zmiany pręd-kości obrotowej i obciążenia podano na rys. 6.51, na którym największy obszar pracy silnika to średnie obciążenia i średnia prędkość obrotowa. Natomiast na rysunkach 6.52–6.58 zaprezentowano przebiegi czasowe rejestracji poszczególnych związków szkodliwych.
Stężenie tlenku węgla na badanym odcinku trasy w większości było na poziomie około 0,02% (w dużej części trasy poniżej tej wartości, a więc nie przekraczało 200 ppm), co w konsekwencji skutkowało natężeniem emisji tlenku węgla nieprzekraczają-cym 10 mg/s (rys. 6.52).
Stężenie węglowodorów podczas badań nie przekraczało 40 ppm (było zgodne z cha-rakterem trasy – zwiększało się przy podjazdach oraz malało wraz ze zmniejszaniem się nachylenia drogi). Pojedyncze uwarunkowania drogowe wymagały nagłego zwiększe-nia dawki paliwa, co skutkowało zwiększonym stężeniem węglowodorów do wartości 40 ppm. Natomiast wartości natężenia emisji tego związku, z wyjątkiem okresów wy-różniających się, nie przekraczały 4 mg/s (rys. 6.53).
Rys. 6.51. Warunki pracy silnika we współrzędnych prędkość obrotowa–obciążenie podczas badań drogowych (silnik ZS, teren górzysty)
Rys. 6.52. Stężenie i natężenie tlenku węgla zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren górzysty)
1000 1500 2000 2500 3000
Z [%]
0 1000 2000 3000 4000 5000
CO[mg/s]
CO [%]
t [s]
Rys. 6.53. Stężenie i natężenie węglowodorów zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren górzysty)
Stężenie kolejnego składnika gazowego – tlenków azotu – w całym teście było na bardzo zróżnicowanym poziomie. Uzyskane wartości stężenia z przedziału do 1000 ppm tego składnika były wynikiem braku urządzeń oczyszczających ten związek ze spalin. Natężenie emisji tlenków azotu podczas całego testu było nie przekraczało 100 mg/s (rys. 6.54).
Rys. 6.54. Stężenie i natężenie tlenków azotu zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren górzysty)
Stężenie dwutlenku węgla prezentowane na rys. 6.55 wynosi maksymalnie 10%. Jest to wartość maksymalna, która powstaje przy najmniejszym rejestrowanym współczyn-niku nadmiaru powietrza. Dla większej wartości współczynnika nadmiaru powietrza rejestrowano mniejsze stężenie tego związku (wartość średnią można ocenić na pozio-mie około 5%). Natężenie emisji dwutlenku węgla podczas badań nie przekraczało war-tości 10000 mg/s, natomiast wartość średnia to około 2500 mg/s. Większe rozrzuty reje-strowano dla faz charakterystycznych, gdy rejereje-strowano zwiększone nachylenie drogi.
W przypadku stężenia cząstek stałych określanych w miligramach na metr sześcienny, zaobserwowano wartości w zakresie do 0,05 mg/m3 w początkowym okresie pracy po-jazdu, a następnie ulegało ono zmniejszeniu do wartości 0,01 mg/m3, a w końcowym etapie testu osiągało wartości do 0,05 mg/m3. Charakter zmian natężenia emisji cząstek
-10
0 1000 2000 3000 4000 5000
HC[mg/s]
0 1000 2000 3000 4000 5000
NOx[mg/s]
NOx[ppm]
t [s]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 92 stałych był zgodny ze zmianami ich stężenia i tylko nieznacznie przekraczał wartości 0,15 mg/s, natomiast w etapie środkowym nie przekraczał 0,01 mg/s (rys. 6.56). Było to wynikiem zastosowania filtra cząstek stałych w tym pojeździe.
Rys. 6.55. Stężenie i natężenie dwutlenku węgla zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren górzysty)
Rys. 6.56. Stężenie i natężenie masy cząstek stałych zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren górzysty)
Charakter zmian liczby cząstek był odmienny od poprzedniego: 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. 6.57) o zdecydowanie mniejszej masie. Rejestracja natę-żenia liczby cząstek stałych pozwoliła na oszacowanie całkowitej ich liczby podczas przejazdu.
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--20000
0 1000 2000 3000 4000 5000
CO2[mg/s]
0 1000 2000 3000 4000 5000
PM[mg/s]
PM [mg/m3]
t [s]
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.
Rys. 6.57. Stężenie i natężenie liczby cząstek stałych zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren górzysty)
Największy udział pracy silnika w badanych warunkach ruchu przypada na obszar średnich prędkości (9–18 m/s) oraz niewielkich wartości przyspieszenia (0–1 m/s2) (rys.
6.58). Maksymalne natężenie emisji tlenku węgla (rys. 6.59), określone w miligramach na sekundę, rozłożone jest w obszarze małych prędkości pojazdu (3–6 m/s) oraz jego średniego przyspieszenia w zakresie od 0 do 2 m/s2. Natężenie emisji węglowodorów jest proporcjonalne do prędkości pojazdu i jego przyspieszenia. Nie zarejestrowano ob-szarów odmiennych od tej reguły (rys. 6.60). Natężenie emisji tlenków azotu jest naj-większe przy: dużych wartościach prędkości i maksymalnych wartościach przyspiesze-nia pojazdu (gwałtowne naciśnięcie pedału przyspieszeprzyspiesze-nia) (rys. 6.61).
Rys. 6.58. Charakterystyka udziału czasu pracy pojazdu – w przedziałach prędkości i przyspie-szenia (silnik ZS, teren górzysty)
-1,0E+11
0 1000 2000 3000 4000 5000
PN[szt/s]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 94
Rys. 6.59. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren górzysty)
Rys. 6.60. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji węglowodorów odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren górzysty)
Rys. 6.61. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren górzysty)
-2
Charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla jest ściśle zależna od prędkości jazdy pojazdu i jego przyspieszenia. Wartości tego natężenia dla parametrów maksy-malnych wynoszą około 10000–12000 mg/s (około dwukrotnie mniejsze niż dla pojaz-du z silnikiem ZI), a jednocześnie zależą wprost proporcjonalnie od opisywanych para-metrów (prędkości jazdy i przyspieszenia pojazdu); jest ona zgodna co do charakteru z sekundowym zużyciem paliwa (rys. 6.62).
Rys. 6.62. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren górzysty) Charakter zmiany natężenia masy cząstek stałych jest również podobny do zależno-ści poprzednich: obszar prędkozależno-ści maksymalnej pojazdu i maksymalnego przyspiesze-nia, dla którego występuje zwiększona emisja, natomiast w pozostałym obszarze odno-towano małe wartości emisji cząstek stałych (rys. 6.63). Podobna sytuacja dotyczy licz-by cząstek stałych – kilkukrotnie większe wartości obserwowano dla obszaru pracy cha-rakteryzującego się dużą wartością prędkości i przyspieszenia pojazdu (rys. 6.64).
Rys. 6.63. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji masy cząstek stałych odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren górzysty)
-2 -1,5
-1 -0,5
0 0,5
1 1,5
2
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
0 3 6 9 12 15 18 21 24
a [m/s2] CO2[mg/s]
V [m/s]
-2 -1,5
-1 -0,5
0 0,5
1 1,5
2
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
0 3 6 9 12 15 18 21 24
a [m/s2]
PM [mg/s]
V [m/s]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 96
Rys. 6.64. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji liczby cząstek stałych odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, 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. 6.65):
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. 6.66–6.71). Następnie wyznaczona wartość średzanieczyszcze-nia emisji drogowej za-nieczyszczeń pozwoliła na wyznaczenie zależności funkcyjnych (liniowych) reprezen-tujących wartości emisji drogowych zanieczyszczeń od kąta nachylenia drogi.
Rys. 6.65. 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 5,0E+09 1,0E+10 1,5E+10 2,0E+10 2,5E+10 3,0E+10 3,5E+10 4,0E+10
0 3 6 9 12 15 18 21 24
a [m/s2]
PN [szt/s]
V [m/s]
7,4
11,9
48,8
17,6
10,8
0 10 20 30 40 50 60
-10 -5 0 5 10
Udział procentowy pracy pojazdu [%]
Nachylenie drogi A [%]
Rys. 6.66. Zależność średniej emisji drogowej tlenku węgla od kąta nachylenia drogi
Rys. 6.67. Zależność średniej emisji drogowej węglowodorów od kąta nachylenia drogi
Rys. 6.68. Zależność średniej emisji drogowej tlenków azotu od kąta nachylenia drogi
0,56
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 98
Rys. 6.69. Zależność średniej emisji drogowej dwutlenku węgla od kąta nachylenia drogi
Rys. 6.70. Zależność średniej emisji drogowej masy cząstek stałych od kąta nachylenia drogi
Rys. 6.71. Zależność średniej emisji drogowej liczby cząstek stałych od kąta nachylenia drogi
56 75
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 szkodliwych składników spalin, jednakże wzrost ten jest inny dla różnych zanieczysz-czeń. Wyznaczone zależności charakteryzujące emisję drogową poszczególnych zanie-czyszczeń w funkcji nachylenia drogi są następujące:
– dla emisji drogowej tlenku węgla:
bCO = 0,026 A + 0,84; R2 = 0,63 – dla emisji drogowej węglowodorów:
bHC = 0,015 A + 0,28; R2 = 0,96 – dla emisji drogowej tlenków azotu:
bNOx = 0,21 A + 2,20; R2 = 0,96 – dla emisji drogowej dwutlenku węgla:
bCO2 = 20,6 A + 229; R2 = 0,96 – dla emisji drogowej masy cząstek stałych:
bPM = 0,0003 A + 0,0,0035; R2 = 0,95 – dla emisji drogowej liczby cząstek stałych:
bPN = 2∙107 A + 7,7∙108; R2 = 0,75.
Porównanie względnych wartości współczynników równań uwidacznia charakter krotności zmian emisji drogowej przy zmianie nachylenia dodatniego i ujemnego drogi od wartości równej zero (rys. 6.72). Analiza tego wykresu uwidacznia, że największa zmiana emisji drogowej przy zmianie nachylenia drogi dotyczy (w kolejności malejące-go znaczenia):
1) emisji drogowej tlenków azotu, 2) emisji drogowej dwutlenku węgla, 3) emisji drogowej masy cząstek stałych, 4) emisji drogowej węglowodorów, 5) emisji drogowej tlenku węgla,
6) emisji drogowej liczby cząstek stałych.
Rys. 6.72. Względna zmiana emisji drogowej zanieczyszczeń przy zmianie nachylenia drogi
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
-15 -10 -5 0 5 10 15
Krotnoość zwiększenia emisji
Nachylenie drogi [%]
NOx CO2 PM HC CO PN
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 100