5. Metodyka badań
5.1. Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa
5.1.1. Wiadomości wstępne
Niezależnie od wprowadzanych od dziesięcioleci różnych udoskonaleń w przemyśle motoryzacyjnym, negatywny wpływ pojazdów na jakość powietrza pozostaje ciągle bardzo duży. Rozwiązanie problemów związanych z emisją gazów cieplarnianych z pojazdów drogowych jest priorytetowe w polityce pro-środowiskowej. W ujęciu dłu-goterminowym zapewnienie stałych dostaw ropy naftowej oraz kwestie zużycia energii stały się bardzo ważnym aspektem motoryzacyjnego rozwoju. Obawy dotyczące dużej emisji gazowych i stałych zanieczyszczeń, w tym najbardziej dwutlenku węgla, stały się problemem dla wszystkich głównych rynków motoryzacyjnych, nie tylko w Stanach Zjednoczonych czy Unii Europejskiej, ale też w Azji. Aby temu zapobiegać, ustanawia-ne są różustanawia-ne akty prawustanawia-ne wprowadzające coraz bardziej rygorystyczustanawia-ne limity emisji za-nieczyszczeń, a także systemy różnych kar lub zachęt i dopłat dotyczących zużycia pa-liwa i rodzaju zastosowanego papa-liwa. Obecnie po stwierdzeniu w wyniku badań, że emisja zanieczyszczeń podczas rzeczywistego użytkowania pojazdu jest słabo odwzo-rowana w laboratorium, zmieniane są metody badawcze oraz wprowadzane są pomiary w warunkach drogowych. Emisja w rzeczywistych warunkach zyska na znaczeniu w chwili, gdy pomiary RDE (real driving emissions) staną się wymogiem prawnym.
Konieczność określania rzeczywistej emisji zanieczyszczeń z pojazdów (RDE) zo-stała wprowadzona w wyniku starań o zmniejszenie rozbieżności między wynikami badań laboratoryjnych a wynikami badań w ruchu rzeczywistym. Znaczna liczba badań naukowych świadczy o tym, że procedury badań laboratoryjnych, w szczególności tzw.
homologacji typu, nie stanowią najlepszego rozwiązania w zakresie badań emisji (w tym zużycia paliwa). Dają one znacznie zaniżone wartości w porównaniu do rezultatów osiąganych podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdów. Urządzenia do pomiarów emi-sji w warunkach rzeczywistych są już powszechnie dostępne i wkrótce będzie to wymóg prawny w UE. Jednakże wciąż pozostaje tematów nierozwiązanych, aby scharaktery-zować związek między emisją rzeczywistą, a tą określaną w warunkach laboratoryj-nych. Dodatkowo, pomimo ostatnich zmian w ustawodawstwie, wiele elementów praw-nych i techniczpraw-nych dotyczących RDE pozostaje jeszcze, przynajmniej w pewnym stopniu, nieuregulowanych.
Powyższe czynniki ukierunkowują badania i działania rozwojowe na pracę nad wymi pojazdami o niskiej emisji, stosowanie paliw alternatywnych, wprowadzanie no-wych, bardziej ekologicznych typów silników, a także zwiększanie sprawności silników już istniejących. Wynika z tego, że jeszcze nigdy testy emisji, w których wykonywany jest pomiar wagowy i zliczanie cząstek stałych, pomiar ilości wytworzonego dwutlenku węgla, zużycia paliwa, a także badań sprawności podzespołów ograniczających emisję, nie były tak istotne z punktu widzenia przemysłu i nauki. Zaawansowane metody badań emisji [21, 25, 95–99] mogą dostarczać cennych wniosków dotyczących formowania się i przemieszczania zanieczyszczeń pochodzących od spalin.
Wyznaczenie emisji składników spalin z dowolnego pojazdu możliwe jest kilkoma sposobami:
b) na podstawie badań na hamowni podwoziowej – określa się emisję spalin w ślonym teście jezdnym, i również na podstawie norm i regulaminów możliwe jest okre-ślenie emisji drogowej [g/km; g/test] danego składnika spalin,
c) na podstawie badań drogowych – określa się stężenie składników gazowych oraz masę i liczbę cząstek stałych, a przy uwzględnieniu wydatku spalin również emisję dro-gową tych składników.
Wartości emisji zanieczyszczeń z pojazdów (lub silników) określone na podstawie przedstawionych metod nie mogą być ze sobą porównywane. Sposób i warunki prze-prowadzania prób są odmienne, co powoduje brak ujednolicenia tych metod. W pracy przyjęto, że badania emisji spalin i zużycia paliwa prowadzone będą na hamowni pod-woziowej oraz z wykorzystaniem mobilnego układu do pomiaru emisji zanieczyszczeń PEMS (portable emission measurement system). System taki umożliwia pomiar wszyst-kich parametrów pracy silnika i pojazdu [59]. Do określenia wartości obciążenia (mo-mentu obrotowego) i prędkości obrotowej silnika, prędkości jazdy pojazdu, natężenia przepływu paliwa i temperatury czynnika chłodzącego, wykorzystuje się dane ze ste-rownika pojazdu. Przepisy wymagają, by były one dostarczane przez jednostkę sterują-cą pojazdu oraz odczytywane i rejestrowane przez systemy typu PEMS. Należy zasy-gnalizować, że wyniki badań emisji zanieczyszczeń pozyskiwane podczas badań dro-gowych są wartościami rzeczywistymi dla danego typu pojazdów i dotyczą konkretnych warunków drogowych. Warunki takie pozwalają oszacować stopień ekologiczności badanych pojazdów i ich silników podczas typowej eksploatacji [61, 62, 63, 73].
5.1.2. Obiekty badań
Obiektami badań były pojazdy typu SUV (rys. 5.1), których charakterystykę jedno-stek napędowych przedstawiono w tabl. 5.1. Wyposażone były w silniki ZI i ZS; cha-rakteryzowały się one spełnieniem normy toksyczności spalin Euro 5. Pomimo różnic w objętościach silników i ich rodzajach, cechą wspólną była zbliżona masa własna pojaz-dów. Celem badań było wyznaczenie zależności emisji drogowej związków zawartych w spalinach pojazdów (osobno dla silnika ZI i ZS), od warunków topograficznych.
Rys. 5.1. Obiekty badań
5. Metodyka badań 42 Tablica 5.1. Charakterystyka wykorzystywanych pojazdów do badań
Parametr ZI ZS
SILNIK
Liczba cylindrów, rozmieszczenie 6, w układzie V 4, rzędowo
Średnica cylindra × skok [mm] 96 × 83 83 × 90,4
Objętość skokowa [cm3] 3604 1956
Norma ekologiczna Euro 5 Euro 5
Stopień sprężania 10,2 16,5
Moc maks.: [kW] przy [obr/min] 206 / 6350 125 / 4000
Maks. moment obrotowy: [Nm] przy [obr/min] 342 / 4350 350 / 1750–2500
Zasilanie paliwem Multi-Port
Fuel Injection
Common Rail MultiJet II NAPĘD
Typ napędu na obie osie, tylna
elektronicznie dołączana
na oś przednią
Skrzynia biegów, liczba biegów automatyczna, 6 manualna, 6 MASY
Masa samochodu gotowego do jazdy [kg] 1960 2020
Masa własna samochodu [kg] 1880 1940
OSIAGI
Prędkość maksymalna (km/h) 208 183
Przyspieszenie 0-100 km/h (s) 8,4 11,1
ZUZYCIE PALIWA
Zużycie paliwa w cyklu mieszanym [dm3/100 km] 11,3 7,3
Emisja CO2 [g/km] 262 194
Wykorzystane w pojazdach silniki spalinowe spełniały normę toksyczności Euro 5 (rys. 5.2); co wiązało się ze spełnieniem limitów toksyczności spalin przedstawionych w tabl. 5.2.
a) b)
Rys. 5.2. Widok silnika o zapłonie iskrowym (a) oraz o zapłonie samoczynnym (b)
Tablica 5.2. Wartości dopuszczalne emisji według normy Euro 5 (test NEDC) dla obiektów badań
Zanieczyszczenie Pojazd z silnikiem ZI Pojazd z silnikiem ZS
CO 1000 mg/km 500 mg/km
HC 100 mg/km
230 mg/km (HC + NOx)
NOx 60 mg/km
PM 5,0 mg/km 5,0 mg/km
PN – 6∙1011 szt/km