Dynamika przyspieszania pojazdem

Rozpatrzono zagadnienie emisji szkodliwych składników spalin w odniesieniu do pojazdów zasilanych silnikami ZI i ZS, w aspekcie kształtowania dynamiki jazdy samochodem w zakresie od jego postoju – praca silnika na biegu jałowym – do uzyskania stałej prędkości jazdy. Okres rozpędzania pojazdu (a ściślej jego dynamika) odpowiada w głównej mierze za masę wyemitowanych związków szkodliwych. Celem przeprowadzonych badań było znalezienie odpowiedzi na pytanie: w jaki sposób należy rozpędzać pojazd, aby minimalizować zużycie paliwa oraz emisję zanieczyszczeń gazowych? Odpowiedź uzyskano na podstawie wykonanych pomiarów toksyczności spalin przy wykorzystaniu mobilnej aparatury badawczej typu PEMS.

Pomiary zawartości substancji szkodliwych w spalinach przeprowadzono w warunkach przyspieszania pojazdu z różną dynamiką. Analizowano przejazdy testowe, w których pojazd, jak już wspomniano, przyspieszał od fazy postoju (V = 0 km/h) do uzyskania stałej prędkości jazdy. Przykładowo prędkość ta wynosiła około 50 i 60 km/h w przypadku pojazdów PC1 i PC2. Do analizy wybierano po 4 przejazdy (spośród 16 wykonywanych), które charakteryzowały się największym zróżnicowaniem pod względem dynamiki. Poszczególne przejazdy zostały oznaczone literą „R” oraz kolejnymi liczbami. Jazdy testowe wykonywano na wydzielonej przestrzeni wolnej od ruchu drogowego, na której można było w sposób dowolny kształtować dynamikę rozpędzania pojazdu (rys. 5.17, 6.1 i 6.2). Długość odcinka pomiarowego wynosiła około 250 m.

Rys. 6.1. Obiekt badań – PC2 w trakcie wykonywania jazd testowych

Rys. 6.2. Obiekt badań – LDV2 w trakcie wykonywania jazd testowych

W trakcie wykonywania badań drogowych pojazdów PC1 i PC2 mierzono stężenie czterech gazowych związków szkodliwych w spalinach (CO, CO2, HC, NOx), emitowanych przez silniki tych samochodów osobowych. Zarejestrowane przebiegi prędkości poruszania się każdego pojazdu ze wszystkich 16 prób, posłużyły do wybrania kilku rejestracji charakterystycznych. Przykładowo dla pojazdu PC2 i dla założonej końcowej prędkości jazdy 50 km/h wybrano po 2 przebiegi o największych (R1 i R2) i najmniejszych (R3 i R4) wartościach osiąganych przyspieszeń przez ten pojazd. Zróżnicowanie wybranych przebiegów w zależności od czasu jazdy i przebytej drogi zaprezentowano na rysunku 6.3.

a) b)

Rys. 6.3. Prędkość pojazdu jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

Obliczono wyemitowaną masę (wyrażaną w gramach) poszczególnych gazowych związków szkodliwych w spalinach. Analiza wartości masy tlenku węgla wykazuje, że przejazd oznaczony jako R1 charakteryzuje się największą jej wartością, znacznie przekraczającą wartości uzyskane w pozostałych przejazdach (rys. 6.4). Podobną zależność można zaobserwować w przypadku zmierzonej masy węglowodorów, gdzie dla przejazdu R1 uzyskano ok. 0,015 g, natomiast masa HC w przypadku pozostałych trzech przejazdów jest znacznie mniejsza (rys. 6.6).

a) b)

Rys. 6.4. Masa całkowita tlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

a) b)

Rys. 6.5. Masa całkowita dwutlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

Inne zależności zaobserwowano w przypadku analizy zarówno dwutlenku węgla, jak i tlenków azotu (rys. 6.5 i 6.7). Jeśli chodzi o emisję tych dwóch szkodliwych składników spalin silnikowych to zaobserwowano wyraźne różnice w wartościach masy całkowitej uzyskanych dla przejazdów charakteryzujących się dużą dynamiką przyspieszania – R1 i R2, niż dla przejazdów o mniejszej dynamice – R3 i R4.

Odnośnie do tych dwóch ostatnich przejazdów można dodatkowo zauważyć, iż uzyskano bardzo zbliżone wartości masy całkowitej dwutlenku węgla i tlenków azotu.

a) b)

Rys. 6.6. Masa całkowita węglowodorów jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

a) b)

Rys. 6.7. Masa całkowita tlenków azotu jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

Na podstawie otrzymanej w wyniku obliczeń skumulowanej emisji – masy całkowitej poszczególnych związków szkodliwych, obliczono w dalszej kolejności emisję drogową tych związków dla każdego przejazdu (określaną w g/km). Uzyskane, w wyniku przeprowadzonych badań drogowych pojazdów PC1 i PC2 (do prędkości maksymalnej równej 50 km/h), wartości emisji drogowej wszystkich związków gazowych, w formie zbiorczej zaprezentowano na rysunkach 6.8 i 6.9. Wynika z nich, że pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdów ze względów ekologicznych są (dla obu pojazdów) przejazdy R3 i R4, dla których uzyskano najmniejsze wartości wyemitowanych związków szkodliwych, a które charakteryzowały się małą wartością średniego przyspieszenia, uzyskiwaną przez badane pojazdy (tab. 6.1).

Rys. 6.8. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych uzyskana w każdym rozpatrywanym przejeździe dla prędkości maksymalnej Vmax = 50 km/h – PC1

Rys. 6.9. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych uzyskana w każdym rozpatrywanym przejeździe dla prędkości maksymalnej Vmax = 50 km/h – PC2

Tabela 6.1. Wartości średniego przyspieszenia (w m/s²) uzyskane w trakcie przejazdów Obiekt

badań

Nr przejazdu

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8

PC1 0,83 1,12 0,62 0,71 0,67 1,03 0,63 0,57

PC2 1,76 1,25 0,81 1,02 1,68 1,44 0,98 1,03

W przypadku pojazdów PC1 i PC2 wykonano również badania dla założonej prędkości jazdy wynoszącej 60 km/h. Podobnie jak wcześniej, do dalszej analizy posłużyły 4 rejestracje charakterystyczne, oznaczone jako R5R8. Tutaj również kryterium wyboru była wartość osiąganego przez pojazdy przyspieszenia.

Zróżnicowanie wybranych przebiegów prędkości (dla pojazdu PC2), w zależności od czasu jazdy, zaprezentowano na rysunku 6.10.

Rys. 6.10. Prędkość pojazdu jako funkcja czasu jazdy

Pozyskane w trakcie przeprowadzonych badań drogowych pojazdów PC1 i PC2 (dla prędkości maksymalnej równej 60 km/h) wartości emisji drogowej poszczególnych związków szkodliwych spalin zaprezentowano na rysunkach 6.11 i 6.12. Wynika z nich, że pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdów ze względów ekologicznych są (dla obu pojazdów) przejazdy R7 i R8, które (podobnie jak we wcześniejszym przypadku) charakteryzowały się małą wartością średniego przyspieszenia, uzyskiwaną przez badane pojazdy (tab. 6.1).

Rys. 6.11. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych uzyskana w każdym rozpatrywanym przejeździe dla prędkości maksymalnej Vmax = 60 km/h – PC1

Rys. 6.12. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych uzyskana w każdym rozpatrywanym przejeździe dla prędkości maksymalnej Vmax = 60 km/h – PC2

Ze względu na przewidzianą ocenę także skutków energetycznych w trakcie różnego sposobu rozpędzania pojazdów badawczych, przy wykorzystaniu metody bilansu masy węgla, dokonano obliczeń przebiegowego zużycia paliwa (rys. 6.13 i 6.14). Pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdów ze względów energetycznych są te same przejazdy, jakie odnotowano w przypadku dokonywanej oceny pod względem ekologicznym, czyli R3 i R4 oraz R7 i R8.

a) b)

Rys. 6.13. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla prędkości maksymalnej: a) V_max = 50 km/h, b) V_max = 60 km/h

a) b)

Rys. 6.14. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla prędkości maksymalnej: a) V_max = 50 km/h, b) V_max = 60 km/h

Wpływ sposobu rozpędzania pojazdu na emisję szkodliwych gazowych związków chemicznych oraz przebiegowe zużycie paliwa określono również dla samochodów dostawczych (LDV2 i LDV4). Pojazdami tymi uzyskiwano maksymalną prędkość jazdy wynoszącą około 45 km/h (rys. 6.15). Jako wyznacznik dynamiki ich rozpędzania przyjęto, podobnie jak wcześniej, średnie przyspieszenie dla całego okresu rozpędzania pojazdu. Na potrzeby przedmiotowej analizy, dodatkowo obliczono też przyspieszenie uzyskane przez samochody badawcze między 2 a 10 sekundą (tab. 6.2). Ponadto wykresy przedstawione na rysunku 6.16 zawierają informacje na temat przyspieszenia uzyskiwanego przez jeden z obiektów badań (średnia ruchoma, odstęp równy 4 s).

a) b)

Rys. 6.15. Prędkość pojazdu jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

a) b)

Rys. 6.16. Przebieg przyspieszenia uzyskiwanego przez pojazd LDV2 podczas jego rozpędzania do V_max = 45 km/h względem: a) czasu jazdy, b) przebytej drogi

Tabela 6.2. Wartości przyspieszenia uzyskane w trakcie przejazdów Obiekt

badań Parametr Nr przejazdu

R1 R2 R3 R4

LDV2

V [m/s]

(dla t = 2 s) 0,04 0,22 0,31 0,72 V [m/s]

(dla t = 10 s) 7,02 8,14 10,19 6,80 a_2-10 [m/s²] 0,87 0,99 1,23 0,76 a_śr [m/s²] 0,65 0,75 1,04 0,63

LDV4

V [m/s]

(dla t = 2 s) 1,30 1,03 0,45 1,21 V [m/s]

(dla t = 10 s) 12,92 7,96 9,61 7,20 a_2-10 [m/s²] 1,45 0,87 1,15 0,75 a_śr [m/s²] 1,41 0,71 0,84 0,69

Na rysunkach 6.17 i 6.18 przedstawiono przykładowe przebiegi skumulowanej emisji analizowanych związków szkodliwych spalin, otrzymane w wyniku przeprowadzonych badań drogowych pojazdów LDV2 i LDV4. Natomiast na podstawie rysunków 6.19 i 6.20 można dokonać oceny skutków ekologicznych i energetycznych, odnośnie do stosowanej przez kierowcę różnej dynamiki przyspieszania pojazdem.

Nasuwające się wnioski są analogiczne do tych przedstawionych w przypadku samochodów osobowych PC1 i PC2. W celu uzyskania możliwie najmniejszych obciążeń środowiskowych należy umiarkowanie przyspieszać pojazdem (wartość przyspieszenia w pierwszych sekundach jazdy nie większa niż 1 m/s²).

a) b)

Rys. 6.17. Masa związków szkodliwych jako funkcja czasu jazdy: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla

a) b)

Rys. 6.18. Masa związków szkodliwych jako funkcja czasu jazdy: a) węglowodorów, b) tlenków azotu

a) b)

Rys. 6.19. Emisja drogowa gazowych szkodliwych składników spalin (a) oraz przebiegowe zużycie paliwa przez pojazd LDV2 (b) uzyskane dla prędkości maksymalnej V_max = 45 km/h

a) b)

Rys. 6.20. Emisja drogowa gazowych szkodliwych składników spalin (a) oraz przebiegowe zużycie paliwa przez pojazd LDV4 (b) uzyskane dla prędkości maksymalnej V_max = 45 km/h

Na potrzeby analizy wyników badań dokonano również wartościowania efektów (emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa) w zależności od przyjętego sposobu rozpędzania pojazdu. Przyjęto różne warianty takiego postępowania: oceniono rozpędzanie pojazdu z uwzględnieniem – z jednej strony – minimalizacji zużycia paliwa, a z drugiej – najmniejszej emisji zanieczyszczeń. Charakterystyka uzyskanych wyników (przykładowo dla pojazdu LDV2; rys. 6.19) pozwoliła na przeprowadzenie analizy ujmującej różne przyjęte priorytety oceny końcowej:

A – brak priorytetów dotyczących zużycia paliwa i emisji poszczególnych związków szkodliwych,

B – priorytet minimalnej emisji zanieczyszczeń ze szczególnym naciskiem na emisję tlenków azotu,

C – równy udział sumarycznej emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa,

D – równy udział emisji zanieczyszczeń (ze szczególnym naciskiem na emisję tlenków azotu) i zużycia paliwa,

E – priorytet minimalizacji zużycia paliwa; jednakowy udział emisji zanieczyszczeń, F – priorytet minimalizacji zużycia paliwa; zwiększony nacisk na emisję tlenków

azotu.

Tak przyjęte wartościowanie wyniku końcowego skutkowało przyjęciem wskaźników wag, które zaprezentowano w tabeli 6.3.

Tabela 6.3. Wartości współczynników wagowych przyjętych do wartościowania skutków środowiskowych i energetycznych dla różnych sposobów rozpędzania pojazdu

Priorytety oceny CO CO₂ HC NO_x Q

A 0,200 0,200 0,200 0,200 0,200

B 0,133 0,133 0,133 0,400 0,200

C 0,125 0,125 0,125 0,125 0,500

D 0,033 0,033 0,033 0,400 0,500

E 0,050 0,050 0,050 0,050 0,800

F 0,033 0,033 0,033 0,100 0,800

Aby wykorzystać współczynniki wag ustandaryzowano wartości otrzymane z pomiarów emisji spalin i zużycia paliwa. W wyniku normalizacji danych otrzymano wartości, które są zawarte w przedziale <0,1> (tab. 6.4). Takie podejście pozwoliło na ocenę zaproponowanego wartościowania oraz obiektywne wybranie rozwiązań spełniających założone kryteria.

Transformacja ta jest przeprowadzana według wzoru:

i_min

xi – wartość po transformacji, xi – wartość transformowana,

xi_max – maksymalna wartość występująca w zbiorze danej cechy, x_{i_min} – minimalna wartość występująca w zbiorze danej cechy.

Tabela 6.4. Standaryzowane wartości emisji dla różnych sposobów rozpędzania pojazdu (LDV2)

Sposoby rozpędzania pojazdu CO CO₂ HC NO_x Q

R1 0,031 0,005 0,061 0,239 0,006

R2 0,250 0,442 0,294 1 0,435

R3 1 1 1 0,477 1

R4 0 0 0 0 0

Obliczone wartości skutków ekologicznych i energetycznych wyrażone jako suma iloczynów wartości standaryzowanych i współczynników wagowych przedstawiono w postaci matrycy wartości (tab. 6.5), gdzie kolorem czerwonym oznaczono wartości maksymalne, a kolorem zielonym – wartości minimalne (dla każdego sposobu rozpędzania pojazdu). Analiza taka może mieć zastosowanie do wyboru dynamiki rozpędzania pojazdu w warunkach poszczególnych przejazdów lub do zastosowania algorytmów w układach automatycznej regulacji prędkości i obciążenia silników spalinowych przy zmianach obciążenia.

Tabela 6.5. Matryca wartościowania sumy skutków ekologicznych i energetycznych (LDV2) Priorytety

W trakcie prowadzenia badań pojazdu ciężarowego – HDV1, rozpędzano go do dwóch prędkości jazdy: 30 i 50 km/h. Zróżnicowanie wybranych przebiegów prędkości pojazdu, w zależności od czasu jazdy, zaprezentowano na rysunkach 6.21 i 6.22.

Przebiegi o największych wartościach osiąganych przyspieszeń przez pojazd to R3 i R6, natomiast o najmniejszych – R2 i R7 (tab. 6.6). Maksymalne chwilowe przyspieszenie pojazdu dla przejazdów R1–R4 mieści się w zakresie 1,2–2,3 m/s², natomiast dla przejazdów R5–R8 jest nieco mniejsze, przyjmując wartości w granicach 1,4–1,7 m/s² (rys. 6.21 i 6.22).

Tabela 6.6. Wartości przyspieszenia uzyskane w trakcie przejazdów – HDV1 [48]

Parametr Nr przejazdu

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8

V [m/s]

(dla t = 2 s) 0,54 0,63 0,31 0,80 0,40 0,09 0,13 0,22 V [m/s]

(dla t = 10 s) 5,14 4,83 8,72 5,50 5,54 8,05 5,68 8,67 a_2-10 [m/s²] 0,58 0,53 1,05 0,59 0,64 0,99 0,69 1,06 a_śr [m/s²] 0,53 0,33 0,97 0,43 0,68 0,87 0,66 0,84

Bazując na zmierzonym stężeniu poszczególnych substancji szkodliwych w spalinach – CO, CO2, HC, NOx – obliczono natężenie ich emisji dla wszystkich ośmiu reprezentatywnych przejazdów. Na rysunkach 6.21 i 6.22 przykładowo przedstawiono natężenie emisji dwutlenku węgla. Znaczący wzrost natężenia emisji CO2 dla rozpędzania R1 wynika z gwałtowniejszego wciśnięcia pedału przyspieszenia w końcowej fazie przejazdu. Dla prędkości jazdy wynoszącej 50 km/h zaobserwować można wyraźnie wzrastające wartości natężenia emisji dwutlenku węgla w miarę upływu czasu jazdy, co wynika ze zwiększających się oporów ruchu pojazdu. Wartości te osiągają maksymalnie około 35 g/s.

Rys. 6.21. Natężenie emisji dwutlenku węgla dla prędkości maksymalnej 30 km/h

Rys. 6.22. Natężenie emisji dwutlenku węgla dla prędkości maksymalnej 50 km/h

Obliczono również – na podstawie określonego wcześniej natężenia emisji – masę całkowitą poszczególnych substancji szkodliwych, wyemitowaną ze spalinami.

W przypadku dwutlenku węgla, dla przejazdu oznaczonego jako R5, jego masa ma wyraźnie mniejszą wartość, znacznie odbiegającą od wartości uzyskanych w pozostałych przejazdach dla prędkości maksymalnej 50 km/h (rys. 6.23). Wynika to jednak z nieosiągnięcia w pełni założonej prędkości jazdy w trakcie rozpędzania R5.

Ponadto w przypadku V_max = 50 km/h stwierdzono znaczące różnice w wartościach masy całkowitej dwutlenku węgla uzyskanych dla przejazdów charakteryzujących się dużą dynamiką przyspieszania – R6 i R8, niż dla przejazdów o mniejszej dynamice – R5 i R7. Odnośnie do tych dwóch pierwszych przejazdów można dodatkowo zauważyć, iż uzyskano prawie identyczne wartości masy całkowitej CO2.

a) b)

Rys. 6.23. Skumulowana emisja dwutlenku węgla wyznaczona dla przejazdów z:

a) V_max = 30 km/h, b) V_max = 50 km/h

Na podstawie pozyskanych w trakcie przeprowadzonych badań – rozpędzanie pojazdu HDV1 do prędkości maksymalnej równej 30 i 50 km/h – wartości emisji drogowej można stwierdzić, że poszczególne sposoby przyspieszania pojazdem, w zakresie zmienności dynamiki przyspieszania, cechują się znacząco odmienną emisją substancji szkodliwych (rys. 6.24 i 6.25). Pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdu, ze względów energetycznych i ekologicznych, są przejazdy R2 i R4 oraz R5 i R7, które charakteryzowały się mniejszymi wartościami przyspieszenia, jakie uzyskiwał badany pojazd.

a) b)

Rys. 6.24. Emisja drogowa dwutlenku węgla oraz przebiegowe zużycie paliwa wyznaczone dla każdego rozpatrywanego przejazdu: a) V_max = 30 km/h, b) V_max = 50 km/h

a) b)

Rys. 6.25. Emisja drogowa pozostałych związków gazowych spalin wyznaczona dla każdego rozpatrywanego przejazdu: a) V_max = 30 km/h, b) V_max = 50 km/h

Wyniki przeprowadzonych badań drogowych potwierdziły, że dla wielkości zużycia paliwa przez pojazd, a więc i emisji substancji szkodliwych w spalinach, decydujące znaczenie ma czynność przyspieszania. Zatem odpowiednio kształtując tę czynność (korzystając np. z zasad eco-drivingu) można uzyskać oszczędności w przebiegowym zużyciu paliwa oraz zmniejszenie emisji spalin.

Z tej racji, że pojazdy są wyposażone w silniki o różnej mocy i mają różną masę własną trudno sformułować konkretne zalecenia co do sposobu przyspieszania pojazdem (wartości osiąganego przyspieszenia są bowiem różne).

Ogólnym jednak zaleceniem może być to, że nie należy stosować dynamicznego, maksymalnego naciskania na pedał przyspieszenia w pojeździe (np. maksymalnego otwarcia przepustnicy w silnikach ZI), natomiast należy to robić do ¾ maksymalnej możliwości jego naciśnięcia (w dość dynamiczny sposób).

W dokumencie PRACA DOKTORSKA (Stron 70-83)