6. Wyniki badań własnych i ich analiza
6.2. Badania w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego
6.2.1. Badania w terenie płaskim pojazdu z silnikiem ZS
Podczas badań pojazdu z silnikiem ZS dokonano pomiarów emisji sekundowej CO, HC, NOx, CO2, PM i PN w spalinach oraz zmiany prędkości obrotowej silnika i obcią-żenia – parametrów odczytanych z systemu diagnostycznego pojazdów. Rejestrowane zmiany prędkości obrotowej i obciążenia podano na rys. 6.29, na którym największy obszar pracy silnika to średnie obciążenia i średnia prędkość obrotowa. Natomiast na rysunkach 6.30–6.35 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. 6.30).
Rys. 6.29. Warunki pracy silnika we współrzędnych prędkość obrotowa–obciążenie podczas badań drogowych (silnik ZS, teren płaski)
Rys. 6.30. Stężenie i natężenie tlenku węgla zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren płaski)
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 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
CO[mg/s]
CO [%]
t [s]
Stężenie węglowodorów podczas badań nie przekraczało 30 ppm. Pojedyncze uwa-runkowania drogowe wymagały nagłego zwiększenia dawki paliwa, co skutkowało zwiększonym stężeniem węglowodorów do wartości 40 ppm. Natomiast wartości natę-żenia emisji tego związku, z wyjątkiem początkowego i końcowego okresu, nie prze-kraczały 6 mg/s (rys. 6.31). Stężenie kolejnego składnika gazowego – tlenków azotu – w całym teście było na bardzo zbliżonym poziomie. Uzyskane wartości stężenia z prze-działu do 1000 ppm tego składnika były wynikiem braku urządzeń oczyszczających ten związek ze spalin. Natężenie emisji tlenków azotu podczas całego testu nie przekraczało 100 mg/s (rys. 6.32). Zakres zmienności rezultatów wynikał z normalnej pracy silnika i nie zaobserwowano przypadków, w których natężenie emisji przekraczało w sposób znaczący wartości podanej wcześniej.
Rys. 6.31. Stężenie i natężenie węglowodorów zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren płaski)
Rys. 6.32. Stężenie i natężenie tlenków azotu zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren płaski)
Stężenie dwutlenku węgla prezentowane na rys. 6.33 wynosi maksymalnie 10%. Jest to wartość maksymalna, która powstaje przy najmniejszym rejestrowanym współczyn-niku nadmiaru powietrza. Dla wartości współczynnika nadmiaru powietrza większego od tej wartości rejestrowano mniejsze stężenie tego związku (wartość średnią można ocenić na poziomie około 4–5%). Natężenie emisji dwutlenku węgla podczas badań nie
-10
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
HC[mg/s]
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
NOx[mg/s]
NOx[ppm]
t [s]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 82 przekraczało wartości 10000 mg/s, natomiast wartość średnia to około 2500 mg/s.
Większe rozrzuty rejestrowano dla fazy początkowej i końcowej testu (rys. 6.33).
W przypadku stężenia cząstek stałych określanych w miligramach na metr sześcien-ny, wartości te obserwowano w zakresie do 0,1 mg/m3 w początkowym okresie pracy pojazdu, a następnie ulegało ono zmniejszeniu do wartości 0,02 mg/m3, a w końcowym etapie testu osiągało wartości do 0,4 mg/m3. Charakter zmian natężenia emisji cząstek stałych był zgodny ze zmianami ich stężenia i tylko nieznacznie przekraczał wartości 0,15 mg/s, natomiast w etapie środkowym nie przekraczał 0,03 mg/s (rys. 6.34).
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. 6.35) o zdecydowanie mniejszej masie. Rejestracja natę-żenia liczby cząstek stałych pozwoliła na oszacowanie całkowitej ich liczby podczas przejazdu.
Rys. 6.33. Stężenie i natężenie dwutlenku węgla zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren płaski)
Rys. 6.34. Stężenie i natężenie masy cząstek stałych zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, teren płaski)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
CO2[mg/s]
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
PM[mg/s]
PM [mg/m3]
t [s]
Rys. 6.35. Stężenie i natężenie liczby cząstek stałych zarejestrowane podczas badań (silnik ZS, 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. 6.36).
Maksymalne natężenie emisji tlenku węgla (rys. 6.37), określone w miligramach na sekundę, rozłożone jest w obszarze średnich prędkości pojazdu oraz jego dużego przy-spieszenia w zakresie od 0,5 do 2 m/s2.
Rys. 6.36. Charakterystyka udziału czasu pracy pojazdu – w przedziałach prędkości i przyspie-szenia (silnik ZS, teren płaski)
-1,0E+11
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
PN[szt/s]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 84
Rys. 6.37. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren płaski) Natężenie emisji węglowodorów jest podobne do natężenia emisji tlenku węgla i wy-stępuje w tych samych obszarach pracy (rys. 6.38).
Natężenie emisji tlenków azotu jest największe przy średnich wartościach prędkości i maksymalnych wartościach przyspieszenia pojazdu (gwałtowne naciśnięcie pedału przyspieszenia) (rys. 6.39).
Charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla jest ściśle zależna od prędkości pojazdu i jego przyspieszenia. Wartości tego natężenia dla parametrów maksymalnych wynoszą około 10000–14000 mg/s (dwukrotnie mniejsze niż dla pojazdu z silnikiem ZI), a jednocześnie zależą wprost proporcjonalnie od opisywanych parametrów (pręd-kości jazdy i przyspieszenia pojazdu); jest ona zgodna co do charakteru z sekundowym zużyciem paliwa (rys. 6.40).
Charakter zmiany natężenia masy cząstek stałych jest również podobny do omówio-nych wcześniej zależności: zwiększona emisja występuje w obszarze prędkości maksy-malnej pojazdu i maksymalnego przyspieszenia, natomiast w pozostałym obszarze od-notowano małe wartości emisji cząstek stałych (rys. 6.41).
Odmienna sytuacja dotyczy liczby cząstek stałych – kilkukrotnie większe wartości obserwowano dla obszaru pracy charakteryzującego się średnią wartością prędkości i przyspieszenia pojazdu z zakresu 0–2 m/s2 (rys. 6.42).
Rys. 6.38. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji węglowodorów odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren płaski)
-2
Rys. 6.39. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren płaski)
Rys. 6.40. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren płaski)
Rys. 6.41. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji masy cząstek stałych odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, teren płaski)
-2
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 86
Rys. 6.42. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji liczby cząstek stałych odnosząca się do pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu – przyspieszenie (silnik ZS, 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. 6.43):
A = –2% dla Ai ϵ (–2,5; –1,5) A = –1% dla Ai ϵ <–1,5; –0,5) A = 0% dla Ai 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 analizowanego związku zawartego w spalinach. 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. 6.44–
6.49).
Rys. 6.43. Charakterystyka udziału pracy pojazdu dla różnej wartości nachylenia drogi
-2
Udział procentowy pracy pojazdu [%]
Nachylenie drogi A [%]
Rys. 6.44. Zależność średniej emisji drogowej tlenku węgla od kąta nachylenia drogi
Rys. 6.45. Zależność średniej emisji drogowej węglowodorów od kąta nachylenia drogi
Rys. 6.46. Zależność średniej emisji drogowej tlenków azotu od kąta nachylenia drogi
0,384
0,387
0,366
0,395 0,400 CO [g/km] = 0,004 A [%] + 0,39
R² = 0,23
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60
-3 -2 -1 0 1 2 3
Średnia emisja drogowa CO [g/km]
Nachylenie drogi [%]
0,149
0,160
0,156 0,179
0,199 HC [g/km] = 0,012 A [%] + 0,17
R² = 0,87
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
-3 -2 -1 0 1 2 3
Średnia emisja drogowa HC [g/km]
Nachylenie drogi [%]
1,00 1,22 1,22
1,73
2,20 NOx [g/km] = 0,29 A [%] + 1,48
R² = 0,90
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
-3 -2 -1 0 1 2 3
Średnia emisja drogowa NOx [g/km]
Nachylenie drogi [%]
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 88
Rys. 6.47. Zależność średniej emisji drogowej dwutlenku węgla od kąta nachylenia drogi
Rys. 6.48. Zależność średniej emisji drogowej masy cząstek stałych od kąta nachylenia drogi
Rys. 6.49. Zależność średniej emisji drogowej liczby cząstek stałych w zależności od kąta na-chylenia drogi
132 158 155
208
270 CO2[g/km] = 32 A [%] + 184
R² = 0,87
0 50 100 150 200 250 300
-3 -2 -1 0 1 2 3
Średnia emisja drogowa CO2[g/km]
Nachylenie drogi [%]
0,0017
0,0017 0,0018
0,0022 0,0039 PM [g/km] = 0,0005 A [%] + 0,0023
R² = 0,66
0,0000 0,0010 0,0020 0,0030 0,0040 0,0050
-3 -2 -1 0 1 2 3
Średnia emisja drogowa PM [g/km]
Nachylenie drogi [%]
3,7E+08
4,9E+08 3,8E+08
4,5E+08
4,1E+08 PN [szt/km]= 5∙106A [%] + 4∙108
R² = 0,03
0,0E+00 1,0E+08 2,0E+08 3,0E+08 4,0E+08 5,0E+08 6,0E+08 7,0E+08 8,0E+08 9,0E+08 1,0E+09
-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 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 = 0,04 A + 0,39; R2 = 0,23 – dla emisji drogowej węglowodorów:
bHC = 0,012 A + 0,17; R2 = 0,87 – dla emisji drogowej tlenków azotu:
bNOx = 0,29 A + 1,48; R2 = 0,90 – dla emisji drogowej dwutlenku węgla:
bCO2 = 32 A + 184; R2 = 0,87 – dla emisji drogowej masy cząstek stałych:
bPM = 0,0005 A + 0,0023; R2 = 0,66 – dla emisji drogowej liczby cząstek stałych:
bPN = 5∙106 A + 4∙108; R2 = 0,03.
Porównanie względnych wartości współczynników równań uwidacznia charakter krotności zmian emisji drogowej przy zmianie nachylenia dodatniego i ujemnego drogi od wartości równej zero (rys. 6.50). 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 tlenków azotu, 3) emisji drogowej dwutlenku węgla, 4) emisji drogowej węglowodorów, 5) emisji drogowej tlenku węgla,
6) emisji drogowej liczby cząstek stałych.
Rys. 6.50. 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 [%]
PM NOx CO2 HC CO PN
6. Wyniki badań własnych i ich analiza 90