6. Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu – badania w rzeczywistych
6.2. Wpływ prędkości obrotowej silnika na emisję spalin i zużycie paliwa
Celem badań było znalezienie zależności emisji substancji szkodliwych spalin od wzrastającej prędkości obrotowej silnika spalinowego. Wartości stężeń poszczególnych szkodliwych gazowych składników w spalinach oraz cząstek stałych (w przypadku pojazdów użytkowych LDV) uzyskano w efekcie wykonania badań w rzeczywistych warunkach ruchu podczas przejazdów w rejonie Poznania. Przebieg jednej z tras badawczych, będącej fragmentem płatnej autostrady A2, zaprezentowano na rysunku 5.18. Jej długość wynosiła w przybliżeniu 10 km. Podobnej długości była druga obrana trasa (około 11 km), którą stanowił odcinek drogi ekspresowej S11 z Poznania do Kórnika (rys. 5.19). Przejazdy testowe realizowano w porze porannej i południowej, przy występowaniu dość dużego natężenia ruchu na odcinkach pomiarowych.
W celu przeprowadzenia przedmiotowej analizy rozpędzano samochody badawcze PC1‒PC3 do prędkości jazdy mieszczących się w przedziale od 50 do 120 km/h. Prędkości te, ze skokiem co 10 km/h, uzyskiwano przy wykorzystaniu różnej, maksymalnej liczby biegów. Skutkowało to różnymi wartościami prędkości obrotowej silnika spalinowego, odczytywanymi z systemu diagnostyki pokładowej OBD pojazdu.
Przykładowo, dla rozpędzenia pojazdu PC1 do prędkości 70 km/h otrzymano różnicę o wartości aż 1500 obr/min w prędkości obrotowej silnika – porównanie 3. i 5. biegu (tab. 6.8).
Tabela 6.8. Wybrane parametry zarejestrowane w trakcie przejazdów testowych (PC1)
Parametr Prędkość jazdy [km/h]
Na podstawie wykonanych pomiarów stężeń substancji szkodliwych w spalinach badanego pojazdu obliczono emisję tych związków dla jazdy z różną prędkością obrotową silnika. Przejazdy testowe z daną prędkością realizowano, ze względu na
występujący ruch na drodze, przez 30 s. Uwzględniając przebytą odległość, wyznaczono w dalszej kolejności emisję drogową poszczególnych szkodliwych składników gazów wylotowych (rys. 6.54 i 6.56).
a) b)
c) d)
Rys. 6.54. Wartości emisji drogowej uzyskane dla mniejszych prędkości jazdy (PC1):
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
W przypadku mniejszych prędkości jazdy (50‒70 km/h) w analizie uwzględniono zastosowany 3., 4. i 5. bieg (rys. 6.54). Natomiast w przypadku prędkości większych – powyżej 80 km/h analiza dotyczy już tylko 4. i 5. biegu (rys. 6.56). W miarę zmniejszania przełożenia w skrzyni przekładniowej – zwiększanie biegu, a tym samym zmniejszanie prędkości obrotowej silnika – zmniejsza się również emisja drogowa wszystkich czterech analizowanych związków szkodliwych: tlenku i dwutlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu.
Dla prędkości jazdy od 50 do 70 km/h największe różnice w emisji drogowej (przez pojazd PC1) obserwuje się dla tlenku węgla i węglowodorów (rys. 6.55).
Dotyczy to zwłaszcza przypadku, kiedy stosowany był w trakcie jazdy 3. bieg.
Natomiast stosowanie przez kierowcę 5-go biegu przyniosło największe korzyści w przypadku pojazdu PC2. Dzięki temu nastąpiło zmniejszenie emisji drogowej wszystkich analizowanych związków szkodliwych spalin o 20‒40 %.
a) b)
c) d)
Rys. 6.55. Procentowe różnice w emisji drogowej – względem czwartego biegu:
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
a) b)
c) d)
Rys. 6.56. Wartości emisji drogowej uzyskane dla większych prędkości jazdy (PC1):
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
W przypadku prędkości jazdy mieszczących się w zakresie 80‒120 km/h największe różnice w emisji drogowej, w wyniku zastosowania mniejszego przełożenia w skrzyni biegów, zanotowano wobec tlenku węgla i tlenków azotu (rys. 6.57). Dla niektórych pojazdów uzyskano redukcję emisji tych związków nawet o 40 %. Podobnie jak wcześniej, w trakcie jazdy obiektem badań oznaczonym jako PC2 na 5. biegu, uzyskano największe zmniejszenie zawartości CO, CO2, HC i NOx w spalinach.
a) b)
c) d)
Rys. 6.57. Procentowe różnice w emisji drogowej – względem czwartego biegu:
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
Badania mające na celu określenie wpływu prędkości obrotowej jednostki napędowej pojazdu na emisję szkodliwych składników spalin i zużycie paliwa przeprowadzono również przy wykorzystaniu samochodów LDV1 i LDV3. Cechują się one, wobec badanych samochodów osobowych, m.in. większą masą własną oraz większym współczynnikiem oporu powietrza. W przypadku tych obiektów badań uzyskiwano prędkość jazdy wynoszącą od 60 do 100 km/h (tab. 6.9).
W tabeli 6.9, oprócz branych pod uwagę w analizie wartości prędkości obrotowej jednostki napędowej badanego pojazdu LDV1, zestawiono również informacyjnie kilka innych istotnych parametrów eksploatacyjnych silnika spalinowego. Na szczególniejszą uwagę, z punktu widzenia emisji związków szkodliwych spalin i zużycia paliwa przez pojazd, zasługują takie parametry jak: obciążenie silnika, wydatek spalin oraz współczynnik λ.
Tabela 6.9. Wybrane parametry zarejestrowane w trakcie przejazdów testowych (LDV1)
Emisję drogową poszczególnych szkodliwych składników spalin pojazdu LDV1, przedstawiono na rysunkach 6.58 i 6.59. Podobnie jak poprzednio zaobserwować można spadek wartości emisji w miarę zmniejszania przełożenia w skrzyni biegów (zmniejsza się przy tym prędkość obrotowa silnika). Dotyczy to zarówno mniejszych prędkości jazdy (60 i 70 km/h), jak i prędkości większych (80‒100 km/h). Jak już wspomniano, dla badanych samochodów dostawczych typu LDV określono również emisję cząstek stałych z ich układów wylotowych (rys. 6.60). Widoczne zależności są analogiczne do tych, zaobserwowanych wobec emisji drogowej CO, CO2, HC i NOx.
a) b)
c) d)
Rys. 6.58. Wartości emisji drogowej uzyskane dla mniejszych prędkości jazdy (LDV1):
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
a) b)
c) d)
Rys. 6.59. Wartości emisji drogowej uzyskane dla większych prędkości jazdy (LDV1):
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
Rys. 6.60. Wartości emisji drogowej cząstek stałych przez pojazd LDV1
Dla prędkości jazdy wynoszącej 60 i 70 km/h największe różnice w emisji drogowej obserwuje się dla tlenku węgla i węglowodorów (rys. 6.61). W przypadku prędkości jazdy mieszczących się w zakresie 80‒100 km/h jest podobnie. W wyniku zmniejszenia przez kierowcę prędkości obrotowej silnika po zastosowaniu piątego biegu, zanotowano dla obu badanych pojazdów typu LDV duże zmniejszenie ilości emitowanych CO i HC na każdy kilometr przejechanej trasy (rys. 6.62).
a) b)
c) d)
Rys. 6.61. Procentowe różnice w emisji drogowej – względem czwartego biegu:
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
a) b)
c) d)
Rys. 6.62. Procentowe różnice w emisji drogowej – względem czwartego biegu:
a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
Na podstawie określonej emisji drogowej substancji szkodliwych obliczono, przy wykorzystaniu metody bilansu masy węgla, przebiegowe zużycie paliwa przez badane pojazdy (rys. 6.63). Podobnie jak w przypadku emisji drogowej obserwuje się znaczący spadek wartości zużywanego przez pojazd paliwa na każde przejechane 100 km (w zależności od chwilowej prędkości obrotowej silnika).
a)
b)
Rys. 6.63. Wartość przebiegowego zużycia paliwa uzyskana w wyniku zastosowania różnej prędkości jazdy: a) pojazd PC1, b) pojazd LDV1
Wykonane badania dostarczyły informacji na temat ilościowej emisji substancji szkodliwych z pojazdów do atmosfery w dynamicznych warunkach ruchu drogowego. Przeprowadzone pomiary toksyczności spalin samochodów, należących do kategorii homologacyjnych M i N, uwidoczniły znaczący wpływ osiąganej prędkości obrotowej silnika m.in. na emisję gazowych składników spalin oraz cząstek stałych. Należy wskazać na znacząco mniejszą emisję drogową tych substancji w przypadku jazdy z załączonym mniejszym przełożeniem w skrzyni przekładniowej – wyższy bieg (rys. 6.64). Zaobserwowana zależność dotyczy wszystkich osiąganych w trakcie pomiarów prędkości jazdy.
a)
b)
c)
Rys. 6.64. Wartości emisji drogowej: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) tlenków azotu