Badania w terenie płaskim pojazdu z silnikiem ZI

Wykorzystując mobilny system pomiarów związków szkodliwych dokonano pomia-ru emisji sekundowej CO, HC, NO_x, CO₂, PM i PN w spalinach oraz zmiany prędkości obrotowej silnika i obciążenia – parametrów odczytanych z systemu diagnostycznego pojazdów. Rejestracja położenia geograficznego (z wykorzystaniem systemu GPS) umożliwiła wizualizację przejazdów oraz obliczenie długości trasy. Przykładowe dane rejestrowane podczas przejazdu podano na rys. 6.73, na którym największy obszar pra-cy silnika to średnie obciążenia i niewielka prędkość obrotowa silnika – co również było podyktowane relatywnie dużą mocą silnika (206 kW). Natomiast na rysunkach 6.74–6.79 zaprezentowano przebiegi 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). Jednakże pojedyncze dynamiczne warunki pracy silnika skutkowały nagłym zwiększeniem stężenia, co w konsekwencji skutkowało natężeniem emisji CO docho-dzącym do ponad 40 mg/s.

Stężenie węglowodorów podczas badań nie przekraczało 10–15 ppm. Pojedyncze uwarunkowania drogowe wymagały nagłego zwiększenia dawki paliwa, co skutkowało

Rys. 6.73. Warunki pracy silnika we współrzędnych prędkość obrotowa–obciążenie podczas badań drogowych (silnik ZI, teren płaski)

Rys. 6.74. Stężenie i natężenie tlenku węgla zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren płaski)

1000 1500 2000 2500 3000

Z [%]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

CO[mg/s]

CO [%]

t [s]

zwiększonym stężeniem węglowodorów do wartości 30–40 ppm. Natomiast wartości natężenia emisji tego związku, z wyjątkiem początkowego i końcowego okresu, nie przekraczały 2 mg/s. Również stężenie trzeciego składnika gazowego – tlenków azotu – w całym teście było na bardzo niskim poziomie. Uzyskane małe wartości tego skład-nika były wynikiem sprawnie działającego trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego.

Natężenie emisji tlenków azotu podczas całego testu było minimalne i nie przekraczało 1–2 mg/s.

Rys. 6.75. Stężenie i natężenie węglowodorów zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren płaski)

Rys. 6.76. Stężenie i natężenie tlenków azotu zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren płaski)

Stężenie dwutlenku węgla prezentowane na rys. 6.77 wynosi maksymalnie 13%. Jest to ilość, która powstaje przy współczynniku nadmiaru powietrza równym jeden. Odnosi się do spalania stechiometrycznego, natomiast wartości mniejsze od 13% są wynikiem przepływu większej masy powietrza w stosunku do masy paliwa i występują w okresach gwałtownego odcięcia dawki paliwa, przy wymuszonym przepływie powietrza w ukła-dzie dolotowym silnika. Natężenie przepływu dwutlenku węgla jest efektem stężenia tego związku w spalinach, zależnego od natężenia przepływu spalin (które jest sumą natężenia przepływu powietrza i zużycia paliwa). W przeważającej części testu wartość

-10

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

HC[mg/s]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 NOx[mg/s]

NOx[ppm]

t [s]

6. Wyniki badań własnych i ich analiza 102 natężenia emisji dwutlenku węgla zawierała się w granicach do 5000 mg/s. W przypad-ku stężenia cząstek stałych określanych w miligramach na metr sześcienny, wartości te obserwowano w zakresie do 0,3 mg/m³ w początkowym okresie pracy pojazdu, a na-stępnie ulegało ono zmniejszeniu do wartości 0,01 mg/m³, a w końcowym etapie testu osiągało wartości do 0,2 mg/m³. Charakter zmian natężenia emisji cząstek stałych był zgodny ze zmianami ich stężenia i tylko nieznacznie przekraczał wartości 0,1 mg/s, natomiast przeważnie nie przekraczał 0,02 mg/s (rys. 6.78).

Rys. 6.77. Stężenie i natężenie dwutlenku węgla zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren płaski)

Rys. 6.78. Stężenie i natężenie masy cząstek stałych zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren płaski)

Charakter zmian liczby cząstek był odmienny od zmian masy cząstek: w początko-wych etapach testu tworzone były duże cząstki o stosunkowo małej liczbie (potwier-dzenie z poprzedniego wykresu), natomiast w drugiej części trasy tworzyły się cząstki mniejsze (stąd większa ich liczba – rys. 6.79) o zdecydowanie mniejszej masie. Reje-stracja natężenia liczby cząstek stałych pozwoliła na oszacowanie całkowitej ich liczby podczas przejazdu, a następnie porównanie z liczbą cząstek stałych tworzonych w silni-ku o zapłonie samoczynnym.

-20000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 CO2[mg/s]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

PM[mg/s]

PM [mg/m3]

t [s]

Rys. 6.79. Stężenie i natężenie liczby cząstek stałych zarejestrowane podczas badań (silnik ZI, teren płaski)

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 w obszarze biegu jałowego oraz stałych średnich prędkości (15–30 m/s; a = 0 m/s²) (rys. 6.80).

Maksymalne natężenie emisji tlenku węgla (rys. 6.81), określone w miligramach na sekundę, rozłożone jest w obszarze maksymalnych prędkości pojazdu oraz jego mak-symalnego przyspieszenia w zakresie od 1 do 2,5 m/s².

Rys. 6.80. Charakterystyka udziału czasu pracy pojazdu – w przedziałach prędkości i przyspie-szenia (silnik ZI, teren płaski)

-1,0E+11 -7,5E+10 -5,0E+10 -2,5E+10 0,0E+00 2,5E+10 5,0E+10 7,5E+10 1,0E+11

0,0E+00 2,0E+04 4,0E+04 6,0E+04 8,0E+04 1,0E+05 1,2E+05 1,4E+05 1,6E+05

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

PN[szt/s]

PN [szt/cm3]

t [s]

-2,5-2-1,5-1-0,500,511,522,5 0,00

0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

a [m/s²] ui[-]

V [m/s]

6. Wyniki badań własnych i ich analiza 104

Rys. 6.81. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren płaski) 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. 6.82). Również podobne właściwości obserwuje się dla natężenia emisji tlen-ków azotu, które skorelowane z dwoma poprzednimi dzięki reaktorowi katalitycznemu występują w większych wartościach w obszarach pracy silnika o dużych natężeniach przepływu spalin – a więc w obszarze maksymalnej prędkości jazdy i przyspieszenia (rys. 6.83). Charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla jest ściśle zależna od prędkości jazdy pojazdu i jego przyspieszenia. Wartości tego natężenia dla parametrów maksymalnych wynoszą około 25000–30000 mg/s i zależą wprost proporcjonalnie od opisywanych parametrów (prędkości jazdy i przyspieszenia pojazdu); jest ona zgodna co do charakteru z sekundowym zużyciem paliwa (rys. 6.84). Charakter zmiany natęże-nia masy cząstek stałych jest również podobny do zależności poprzednich: dla obszaru maksymalnej prędkości pojazdu i maksymalnego przyspieszenia, występuje zwiększona emisja, natomiast w pozostałym obszarze odnotowano bardzo małe wartości emisji czą-stek stałych (rys. 6.85). Podobna sytuacja dotyczy liczby czączą-stek stałych – kilkukrotnie większe wartości obserwowano jedynie dla obszaru pracy charakteryzującego się dużą wartością prędkości i przyspieszenia pojazdu (rys. 6.86).

Rys. 6.82. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji węglowodorów odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren płaski)

-2,5-2-1,5

Rys. 6.83. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren płaski)

Rys. 6.84. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren płaski)

Rys. 6.85. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji masy cząstek stałych odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren płaski)

-2,5-2-1,5-1-0,500,511,522,5 0

5 10 15 20 25 30

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

a [m/s²] NOx[mg/s]

V [m/s]

-2,5-2-1,5-1-0,500,511,522,5 0

5000 10000 15000 20000 25000 30000

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

a [m/s²] CO2[mg/s]

V [m/s]

-2,5-2-1,5-1-0,500,511,522,5 0,0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

a [m/s²]

PM [mg/s]

V [m/s]

6. Wyniki badań własnych i ich analiza 106

Rys. 6.86. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji liczby cząstek stałych odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZI, teren płaski)

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. 6.87):

A = –2% dla Ai ϵ (–2,5; –1,5), A = –1% dla Ai ϵ <–1,5; –0,5), A = 0% dla A_i ϵ <–0,5; 0,5), A = 1% dla Ai ϵ <0,5; 1,5), A = 2% dla Ai ϵ <1,5; 2,5).

Wartości emisji zanieczyszczeń dla nachylenia drogi mniejszego od –2,5% oraz większego od 2,5% pominięto, ze względu na bardzo małą liczność takich zbiorów.

Dla każdego przedziału nachylenia drogi tzn. [–2, –1, 0, 1, 2] wyznaczono wartości emisji drogowej w każdej sekundzie odcinka testowego dla każdego zanieczyszczenia spalin (rys. 6.88–6.93). Następnie wyznaczona wartość średnia emisji drogowej zanie-czyszczeń pozwoliła na wyznaczenie zależności funkcyjnych (liniowych) reprezentują-cych wartości emisji drogowych zanieczyszczeń od kąta nachylenia drogi.

Rys. 6.87. Charakterystyka udziału pracy pojazdu dla różnej wartości nachylenia drogi

-2,5 -2

-1,5 -1

-0,5 0

0,5 1

1,5 2

2,5

0,0E+00 2,0E+10 4,0E+10 6,0E+10 8,0E+10 1,0E+11

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

a [m/s²]

PN [szt/s]

V [m/s]

3,9

18,2

53,8

8,0

2,4 0

10 20 30 40 50 60

-2 -1 0 1 2

Udział procentowy pracy pojazdu [%]

Nachylenie drogi A [%]

Rys. 6.88. Zależność średniej emisji drogowej tlenku węgla w zależności od nachylenia drogi

Rys. 6.89. Zależność średniej emisji drogowej węglowodorów w zależności od nachylenia drogi

Rys. 6.90. Zależność średniej emisji drogowej tlenków azotu w zależności od nachylenia drogi

0,188 0,240

0,353

0,319

0,347 CO [g/km] = 0,04 A [%] + 0,29

R² = 0,75

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

-3 -2 -1 0 1 2 3

Średnia emisja drogowa CO [g/km]

Nachylenie drogi [%]

0,036

0,034

0,037 0,044

0,050 HC [g/km] = 0,004 A [%] + 0,04

R² = 0,81

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080

-3 -2 -1 0 1 2 3

Średnia emisja drogowa HC [g/km]

Nachylenie drogi [%]

0,029

0,026 0,027 0,025

0,033 NOx [g/km] = 0,0009 A [%] + 0,028

R² = 0,19

0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050

-3 -2 -1 0 1 2 3

Średnia emisja drogowa NOx [g/km]

Nachylenie drogi [%]

6. Wyniki badań własnych i ich analiza 108

Rys. 6.91. Zależność średniej emisji drogowej dwutlenku węgla od nachylenia drogi

Rys. 6.92. Zależność średniej emisji drogowej masy cząstek stałych od nachylenia drogi

Rys. 6.93. Zależność średniej emisji drogowej liczby cząstek stałych od nachylenia drogi

254

240

251

289 330

CO₂[g/km] = 20,23 A [%] + 272 R² = 0,75

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-3 -2 -1 0 1 2 3

Średnia emisja drogowa CO2[g/km]

Nachylenie drogi [%]

0,0012

0,0008

0,0011

0,0013 0,0012 PM [g/km] = 0,00005 A [%] + 0,0011

R² = 0,20

0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020

-3 -2 -1 0 1 2 3

Średnia emisja drogowa PM [g/km]

Nachylenie drogi [%]

1,6E+08

2,2E+08

2,0E+08 2,1E+08

1,9E+08 PN [szt/km]= 5∙10⁶A [%] + 2∙10⁸

R² = 0,09

0,0E+00 1,0E+08 2,0E+08 3,0E+08

-3 -2 -1 0 1 2 3

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 = 0,04 A + 0,29; R² = 0,75 – dla emisji drogowej węglowodorów:

bHC = 0,004 A + 0,04; R² = 0,81 – dla emisji drogowej tlenków azotu:

b_NOx = 0,0009 A + 0,028; R² = 0,19 – dla emisji drogowej dwutlenku węgla:

bCO2 = 20,23 A + 272; R² = 0,75 – dla emisji drogowej masy cząstek stałych:

b_PM = 0,00005 A + 0,0011; R² = 0,20 – dla emisji drogowej liczby cząstek stałych:

bPN = 5∙10⁶ A + 2∙10⁸; R² = 0,09.

Porównanie względnych wartości współczynników równań uwidacznia charakter krotności zmian emisji drogowej przy zmianie nachylenia dodatniego i ujemnego drogi od wartości równej zero (rys. 6.94). Analiza tego wykresu uwidacznia, że największa zmiana emisji drogowej przy zmianie nachylenia drogi dotyczy (w kolejności malejące-go znaczenia):

1) emisji drogowej tlenku węgla, 2) emisji drogowej węglowodorów, 3) emisji drogowej dwutlenku węgla, 4) emisji drogowej masy cząstek stałych, 5) emisji drogowej tlenków azotu,

6) emisji drogowej liczby cząstek stałych.

Rys. 6.94. 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

-3 -2 -1 0 1 2 3

Krotnoość zwiększenia emisji

Nachylenie drogi [%]

CO HC CO2 PM NOx PN

6. Wyniki badań własnych i ich analiza 110

W dokumencie Badania wpływu topografii terenu na emisję związków szkodliwych spalin samochodów osobowych (Stron 100-110)