6. Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu – badania w rzeczywistych
6.3. Wpływ sposobu hamowania pojazdem na emisję spalin i zużycie paliwa
Stosowanie hamowania silnikiem przez kierujących pojazdami, w wyniku redukcji biegów, np. w trakcie dojazdu do skrzyżowania, sygnalizatora świetlnego, przejazdu kolejowego w miejsce jazdy wybiegiem jest szczególnie podkreślane przez propagatorów eco-drivingu. Podnoszona jest kwestia unikania bezproduktywnego, z punktu widzenia sprawności pracy jednostki napędowej, biegu luzem i jałowego silnika.
Weryfikacji aspektów ekologicznych i energetycznych stosowania ww. zasady dokonano w wyniku przeprowadzenia badań drogowych kilku pojazdów. Były nimi cztery samochody osobowe (PC1–PC4), dwa samochody dostawcze (LDV1 i LDV4) oraz jeden samochód ciężarowy (HDV1). Jazdy testowe wykonywano na kilkusetmetrowym odcinku pomiarowym, wolnym od ruchu drogowego (rys. 5.17).
Badane pojazdy rozpędzano do kilku prędkości: 50, 60 i 70 km/h, a następnie stosowano dwojaki sposób wytracania prędkości. Hamowano przy wykorzystaniu zwiększania przełożenia skrzyni przekładniowej – mniejszy bieg oraz przy wykorzystaniu oporów ruchu w trakcie jazdy wybiegiem, dodatkowo używając układu hamulcowego w końcowej fazie wykonywanych przejazdów (rys. 6.65 i 6.66).
Poszczególne przejazdy zostały oznaczone kolejnymi liczbami, poprzedzonymi literami
„JW” – dla jazdy wybiegiem oraz „HS” – dla hamowania silnikiem. W niniejszej analizie funkcjonuje też pojęcie fazy „napędowej” i „nienapędowej” ruchu pojazdu – gdy moc jest dostarczana na koła pojazdu, lub nie jest dostarczana.
a) b)
Rys. 6.65. Przebieg prędkości pojazdu PC1 w czasie: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.66. Przebieg prędkości pojazdu LDV1 w czasie: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
W przypadku tlenku węgla, wyemitowanego przez samochody osobowe wyposażone w silniki ZI (PC1, PC3), można zaobserwować bardzo duży wzrost jego masy w spalinach po rozłączeniu napędu – jazda wybiegiem (rys. 6.67 i 6.68).
W szczególności dotyczy to pierwszych kilku sekund, gdy następuje nagłe zwiększenie współczynnika nadmiaru powietrza (np. do wartości około 1,5; rys. 6.69 i 6.70). W tym też czasie natężenie emisji CO osiąga maksymalne wartości (nie wliczając okresu rozpędzania pojazdu – faza napędowa). W trakcie zastosowania jazdy wybiegiem na emisję tlenku węgla znaczący wpływ ma również zmniejszenie się temperatury spalin (rys. 6.85 i 6.86), a tym samym wychładzanie się trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego – m.in. mniejsza sprawność konwersji CO.
a) b)
Rys. 6.67. Skumulowana emisja tlenku węgla wyznaczona dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)
a) b)
Rys. 6.68. Skumulowana emisja tlenku węgla wyznaczona dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)
a) b)
Rys. 6.69. Wartości natężenia emisji tlenku węgla – PC1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.70. Wartości natężenia emisji tlenku węgla – PC3: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
Inny przebieg zawartości tlenku węgla w spalinach podczas wykonywania przejazdów testowych pojazdami PC1 i PC3 obserwuje się w przypadku hamowania silnikiem. Podobnie jak wcześniej, tak i tu zauważyć można wzrost masy CO w gazach wylotowych po zaprzestaniu napędzania pojazdu, jednak wzrost ten jest znacznie mniejszy (rys. 6.67 i 6.68). Stąd też wynika zauważalna mniejsza całkowita masa tlenku węgla wyemitowana z układu napędowego badanych pojazdów (rys. 6.71).
a) b)
Rys. 6.71. Masa całkowita tlenku węgla uzyskana dla analizowanych technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI
Analizując zawartość dwutlenku węgla w spalinach, uzyskaną dla wszystkich przejazdów, nie obserwuje się już tak wyraźnych różnic w przypadku stosowania dwóch odmiennych sposobów sterowania układem napędowym pojazdów PC1 i PC3 w celu wytracenia osiągniętej prędkości jazdy (rys. 6.72 i 6.73). Przebiegi zawartości CO2 w spalinach są dość podobne (zwłaszcza środkowa część – zaraz po rozłączeniu napędu), co wynika z analogicznego kształtowania się wartości natężenia emisji (rys.
6.74 i 6.75). Całkowita masa wyemitowanego do atmosfery dwutlenku węgla dla obu pojazdów i obu rodzajów przejazdów (jazda wybiegiem i hamowanie silnikiem) pozostaje na bardzo zbliżonym poziomie i mieści się w granicach 40‒60 g (rys. 6.76).
a) b)
Rys. 6.72. Skumulowana emisja dwutlenku węgla wyznaczona dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)
a) b)
Rys. 6.73. Skumulowana emisja dwutlenku węgla wyznaczona dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)
a) b)
Rys. 6.74. Wartości natężenia emisji dwutlenku węgla – PC1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.75. Wartości natężenia emisji dwutlenku węgla – PC3: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.76. Masa całkowita dwutlenku węgla uzyskana dla analizowanych technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI
W przypadku kolejnych z analizowanych substancji szkodliwych w spalinach – węglowodorów można zaobserwować największe różnice w ich emisji w wyniku zastosowania dwóch odmiennych sposobów hamowania pojazdem (rys. 6.77‒6.79).
Podobnie jak w przypadku tlenku węgla kluczowe znaczenie w kwestii zawartości HC w spalinach ma kilka pierwszych sekund w fazie jazdy nienapędowej, kiedy to, w większości przypadków, występują największe (w tej fazie) wartości natężenia emisji węglowodorów (rys. 6.80 i 6.81). Nieco inna sytuacja ma miejsce w przypadku pojazdu PC3 i hamowania silnikiem. Na szczególną uwagę zasługują widoczne chwilowe zerowe wartości natężenia emisji węglowodorów. Jest to powiązane z krótkotrwałym
„skokiem” wartości współczynnika nadmiaru powietrza do poziomu około 30.
a) b)
Rys. 6.77. Skumulowana emisja węglowodorów wyznaczona dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)
a) b)
Rys. 6.78. Skumulowana emisja węglowodorów wyznaczona dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)
a) b)
Rys. 6.79. Masa całkowita węglowodorów uzyskana dla analizowanych technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI
a) b)
Rys. 6.80. Wartości natężenia emisji węglowodorów – PC1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.81. Wartości natężenia emisji węglowodorów – PC3: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
O ile dla tlenku i dwutlenku węgla oraz węglowodorów uzyskano wyraźne różnice w ich zawartości w spalinach przy zastosowaniu jazdy wybiegiem i hamowania silnikiem, o tyle dla tlenków azotu jest te różnice są prawie niezauważalne (rys.
6.82‒6.84). Ewentualne rozbieżności mogą wynikać z różnic w emisji w fazie napędowej ruchu pojazdu – kwestia powtarzalności rozpędzania tego pojazdu. Wartości natężenia emisji NOx w fazie nienapędowej w obu przypadkach (jazda wybiegiem i hamowanie silnikiem) są bowiem praktycznie identyczne i równe zeru – masa tlenków azotu nie przyrasta w miarę upływu czasu (rys. 6.85 i 6.86). Nie da się zatem jednoznacznie stwierdzić, który sposób zmniejszania prędkości jazdy jest korzystniejszy z punktu widzenia emisji NOx z badanych pojazdów. Należy w tym miejscu jeszcze dodać, iż zarejestrowana przez urządzenia pomiarowe niska temperatura spalin wynika ze znacznej odległości czujników od silnika. Są one bowiem umieszczone w przepływomierzu spalin, montowanym na przedłużeniu układu wylotowego pojazdu (wpływ chłodzącego oddziaływania otoczenia).
a) b)
Rys. 6.82. Skumulowana emisja tlenków azotu wyznaczona dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)
a) b)
Rys. 6.83. Skumulowana emisja tlenków azotu wyznaczona dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)
a) b)
Rys. 6.84. Masa całkowita tlenków azotu uzyskana dla analizowanych technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI
a) b)
Rys. 6.85. Wartości natężenia emisji tlenków azotu – PC1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.86. Wartości natężenia emisji tlenków azotu – PC3: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
Potwierdzenie poprzednich wyników uzyskano określając, dla każdego przejazdu, emisję drogową poszczególnych szkodliwych składników spalin – CO, CO2, HC i NOx
(rys. 6.87). Widoczne mniejsze bądź większe różnice w wartościach emisji wynikają ze stopnia powtarzalności przejazdów – zwłaszcza istotna jest faza napędowa ruchu pojazdu.
a) b)
Rys. 6.87. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych określona dla analizowanych technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI
Ze względu na odmienną specyfikę pracy silników o zapłonie samoczynnym, dla pojazdów PC2, PC4 i z grupy LDV oraz HDV, zarejestrowano nieco inne przebiegi mierzonych i obliczanych parametrów (stężenie, natężenie emisji). Wyniki badań, nakierowanych na określenie wpływu sposobu hamowania pojazdem na emisję spalin i przebiegowe zużycie paliwa, jednego z tych pojazdów zaprezentowano na rysunkach 6.88‒6.95.
a) b)
Rys. 6.88. Wartości natężenia emisji tlenku węgla – LDV1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.89. Masa całkowita tlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)
a) b)
Rys. 6.90. Wartości natężenia emisji dwutlenku węgla – LDV1:
a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.91. Masa całkowita dwutlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)
Na szczególniejszą uwagę zasługuje natężenie emisji tlenku węgla i węglowodorów. Po rozłączeniu napędu i przejściu do drugiej fazy ruchu (nienapędowej) wartości natężenie tych dwóch związków gazowych spalin utrzymują się niemal na stałym poziomie (rys. 6.88 i 6.92). Dotyczy to zwłaszcza jazdy wybiegiem. Należy przy tym dodać, że chwili rozłączenia napędu towarzyszy gwałtowny wzrost wartości współczynnika nadmiaru powietrza. W przypadku pojazdu LDV1 i jazdy wybiegiem maksymalna wartość λ = 15, natomiast dla hamowania silnikiem zaobserwować można wartość λmax wynoszącą około 30.
a) b)
Rys. 6.92. Wartości natężenia emisji węglowodorów – LDV1:
a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.93. Masa całkowita węglowodorów jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)
a) b)
Rys. 6.94. Wartości natężenia emisji tlenków azotu – LDV1:
a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem
a) b)
Rys. 6.95. Masa całkowita tlenków azotu jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)
Obliczoną emisję drogową gazowych związków szkodliwych spalin, dla przejazdów testowych wykonywanych samochodami wyposażonymi z silniki ZS, przedstawiono w formie zbiorczej na rysunku 6.96. W porównaniu do samochodów napędzanych silnikami ZI, można zauważyć nieco inną zależność w przypadku emisji drogowej tlenku węgla i węglowodorów. Różnice w wartościach emisji tych związków gazowych nie są tak znaczące, odnośnie do dwóch stosowanych technik jazdy.
a) b)
Rys. 6.96. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych określona dla analizowanych technik jazdy: a) Citroën Berlingo, b) Fiat Doblo
Stosowane przez prowadzącego pojazd hamowanie silnikiem przynosi nie tylko korzyści w postaci mniejszej emisji większości gazowych związków szkodliwych w spalinach, lecz również mniejszego zużycia paliwa (większa sprawność silnika; rys.
6.97‒6.100). Jest to szczególnie istotne w przypadku pojazdów ciężkich, do napędu których wymagana jest duża ilość paliwa (rys. 6.100).
Stosowanie hamowania silnikiem w miejsce jazdy wybiegiem przyczynia się też, poza aspektami ekologicznymi, do mniejszego zużycia elementów hamulców oraz zwiększenia bezpieczeństwa transportu – kwestia dłuższego rozłączania napędu w przypadku jazdy wybiegiem. Zwłaszcza dotyczy to wszelkich zjazdów ze wzniesień, gdy występuje duże niebezpieczeństwo przegrzania elementów układu hamulcowego (stąd konieczność stosowania hamulców dodatkowych w pojazdach HDV – np.
retardery).
a) b)
Rys. 6.97. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla analizowanych technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI
a) b)
Rys. 6.98. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla analizowanych technik jazdy: a) Skoda Fabia ZS, b) VW Passat
a) b)
Rys. 6.99. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla analizowanych technik jazdy: a) Citroën Berlingo, b) Fiat Doblo
Rys. 6.100. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla analizowanych technik jazdy (HDV1)
W obliczu obserwowanych zróżnicowanych wyników uzyskanych dla każdego przejazdu dokonano wartościowania efektów (emisja zanieczyszczeń i zużycie paliwa) dla dwóch sposobów hamowania pojazdem, uwzględniając różne określone priorytety oceny końcowej. Na podstawie przyjętych wskaźników wag (tab. 6.3) ustandaryzowano wartości otrzymane z pomiarów emisji spalin i zużycia paliwa (tab. 6.10 i 6.11).
Tabela. 6.10. Standaryzowane wartości emisji – jazda wybiegiem (LDV4)
Tabela. 6.11. Standaryzowane wartości emisji – hamowanie silnikiem (LDV4)
Sposoby rozpędzania pojazdu CO CO2 HC NOx Q
Obliczone wartości skutków ekologicznych i energetycznych wyrażone jako suma iloczynów wartości standaryzowanych i współczynników wagowych przedstawiono w postaci matrycy wartości (tab. 6.12 i 6.13). Kolorem czerwonym oznaczono wartości maksymalne, a kolorem zielonym – wartości minimalne (dla każdego sposobu hamowania pojazdem). W przypadku hamowania silnikiem zaobserwowano dwa przejazdy o zbliżonym najbardziej negatywnym wpływie na środowisko naturalne.
Należy przy tym zauważyć, iż przejazd oznaczony jako HS6 jest gorszy od HS8 pod względem emisji drogowej związków szkodliwych, jednak korzystniejszy pod kątem wartości przebiegowego zużycia paliwa.
Tabela 6.12. Matryca wartościowania sumy skutków ekologicznych i energetycznych (LDV4) Priorytety
Tabela 6.13. Matryca wartościowania sumy skutków ekologicznych i energetycznych (LDV4) Priorytety
oceny
Numer przejazdu
HS1 HS2 HS3 HS4 HS5 HS6 HS7 HS8 HS9
A 0,483 0,444 0,339 0,231 0,294 0,783 0,365 0,654 0,433 B 0,397 0,588 0,321 0,319 0,230 0,662 0,343 0,555 0,431 C 0,475 0,422 0,424 0,144 0,371 0,803 0,418 0,784 0,453 D 0,358 0,620 0,398 0,266 0,282 0,638 0,388 0,648 0,450 E 0,468 0,399 0,508 0,058 0,448 0,824 0,471 0,914 0,473 F 0,446 0,435 0,503 0,080 0,432 0,794 0,465 0,889 0,472
Przeprowadzone badania drogowe wykazały słuszność i korzystność stosowania hamowania silnikiem (redukcja biegów) w miejsce jazdy wybiegiem w trakcie eksploatacji pojazdów samochodowych. Nie dość, że unika się wtedy bezproduktywnego, z punktu widzenia sprawności pracy, biegu luzem i jałowego silnika (mniejsze przebiegowe zużycie paliwa), to jeszcze uzyskuje się mniejszą emisję drogową większości substancji szkodliwych w spalinach (CO, CO2, HC).
Wartości emisji drogowej tlenków azotu są bardzo podobne.