Prędkość jazdy samochodem a emisja substancji szkodliwych w spalinach

Jerzy Merkisz, Marianna Jacyna, Maciej Andrzejewski,

Jacek Pielecha, Agnieszka Merkisz-Guranowska

PRDKO JAZDY SAMOCHODEM A EMISJA

SUBSTANCJI SZKODLIWYCH W SPALINACH

Rkopis dostarczono, kwiecie 2013

Streszczenie: Celem bada opisanych w artykule byo zweryfikowanie tezy o wpywie prdkoci

jazdy samochodem na emisj zwizków szkodliwych w spalinach. Wpyw prdkoci jazdy na przebiegowe zu ycie paliwa jest do atwo mierzalny i powszechnie mo liwy do okrelenia, natomiast w celu okrelenia emisji substancji szkodliwych nale y posu y si specjalistyczn aparatur badawcz. Przeprowadzona analiza jest istotna z punktu widzenia ekologii eksploatacji pojazdów samochodowych. W artykule zaprezentowano wyniki bada drogowych samochodu osobowego napdzanego silnikiem o zaponie samoczynnym. Artyku zawiera wyniki pomiarów st enia podstawowych zwizków szkodliwych emitowanych ze spalinami przez silnik tego pojazdu. W pomiarach wykorzystano mobiln aparatur do bada toksycznoci spalin typu PEMS. Badania przeprowadzono w rzeczywistych warunkach ruchu samochodu (jazda autostradowa) na wybranym fragmencie autostrady A2, zlokalizowanym w rejonach Poznania.

Sowa kluczowe: badania drogowe, emisja spalin, prdko jazdy

1. WSTP

Na poruszajcy si po drodze pojazd dziaa wiele si, w tym ró nego rodzaju siy oporu, czyli wszystkie te siy które przeciwstawiaj si sile napdowej pojazdu. Siy oporu – opory ruchu pojazdu wystpuj w ka dych warunkach eksploatacyjnych. Nie wszystkie one wystpuj jednak jednoczenie. Liczba i rodzaj wystpujcych si oporu zale y od aktualnych warunków eksploatacyjnych [4]. W przypadku jazdy samochodem z du ymi prdkociami dominujcy udzia w oporach ruchu ma opór aerodynamiczny, który jest wprost proporcjonalny do powierzchni czoowej samochodu oraz do kwadratu prdkoci jazdy.

W artykule rozpatruje si zagadnienie emisji zwizków gazowych, takich jak: CO, CO2, HC, NOx w odniesieniu do pojazdów zasilanych silnikami o zaponie samoczynnym w aspekcie ksztatowania maksymalnej prdkoci jazdy samochodem. Du a warto prdkoci jazdy odpowiada bowiem w znacznym stopniu za wyemitowane zwizki szkodliwe [1].

Celem bada bya odpowied na zagadnienia wzrostu emisji zwizków szkodliwych spalin wraz ze wzrostem prdkoci jazdy o kilkadziesit kilometrów na godzin. W efekcie podjtej analizy uzyskano wyniki dotyczce obci e rodowiskowych dla ró nej prdkoci jazdy samochodem.

2. METODYKA BADA

2.1. OBIEKT BADA

Badaniom w rzeczywistych warunkach eksploatacji poddano pojazd lekki typu PC (Passenger Car – samochód osobowy). Obiektem bada by pojazd typu kombi wyposa ony w 4-cylindrowy silnik o zaponie samoczynnym o objtoci skokowej 1,9 dm3 (rys. 1). Jednostka napdowa badanego samochodu bya wyposa ona tylko w utleniajcy reaktor katalityczny DOC (Diesel Oxidation Catalyst), natomiast nie by zainstalowany filtr czstek staych typu DPF (Diesel Particulate Filter). W skad ukadu napdowego pojazdu wchodzia równie 5-biegowa skrzynia przekadniowa. Pozostae, podstawowe dane techniczne obiektu bada s nastpujce:

– silnik – rodzaj zaponu: ZS,

– silnik – ukad i liczba cylindrów: R4, – objto skokowa silnika: 1896 cm3, – doadowanie/rodzaj: tak/turbospr arkowe, – moc maksymalna: 66/90 kW/KM,

– maksymalny moment obrotowy: 210 N·m,

– system oczyszczania spalin: reaktor katalityczny utleniajcy DOC, – masa wasna pojazdu: 1300 kg,

– przebieg pojazdu: 210 000 km, – typ: kombi,

– rok produkcji: 1998.

2.2. APARATURA BADAWCZA I WARUNKI

PRZEPROWADZANIA POMIARÓW

Pomiarów st enia skadników gazowych spalin badanego samochodu osobowego dokonano z wykorzystaniem mobilnej aparatury typu PEMS (Portable Emission

Measurement System). Tego rodzaju aparatura naukowo-badawcza umo liwia wykonanie

pomiarów zanieczyszcze w spalinach w warunkach emisji drogowej – pomiar emisji CO, CO2, HC, NOx. Zakresy pomiarowe aparatury umo liwiaj zastosowanie jej w szerokim zakresie. Ponadto charakteryzuje si ona uzyskaniem wyniku pomiaru emisji wszystkich szkodliwych skadników spalin w sposób natychmiastowy, co pozwala na szybkie wnioskowanie z prowadzonych bada. Obecnie postuluje si wprowadzenie pomiarów systemami PEMS do europejskich dziaa legislacyjnych, szczególnie w zakresie pomiarów emisji skadników gazowych – jednak e zagadnienie to rozpatrywane jest obecnie dla pojazdów ci arowych [2, 5–7].

W przypadku przedmiotowych bada wykorzystano analizator SEMTECH-DS firmy Sensors Inc. (Sensors EMission TECHnology; rys. 2). Elementami skadowymi opisywanej aparatury badawczej s przede wszystkim odpowiednie dla danych zwizków chemicznych analizatory: wykorzystujcy promieniowanie podczerwone – NDIR

(Non-Dispersive Infrared) i ultrafioletowe – NDUV (Non-(Non-Dispersive Ultraviolet) oraz analizator

pomieniowo-jonizacyjny – FID (Flame Ionization Detector). Ponadto do gównych elementów budowy urzdzenia SEMTECH-DS nale  [3, 8]:

przepywomierz spalin, mierzcy wydatek spalin dla zmiennych warunków pracy silnika; o ró nej rednicy, zale nej od objtoci skokowej jednostki napdowej pojazdu,

modu pozwalajcy na rejestracj danych z systemu diagnostyki pokadowej pojazdu OBD (On-Board Diagnostics) – okrelanie m.in. warunków jazdy i parametrów pracy silnika,

modu umo liwiajcy komunikacj z systemem lokalizacji GPS.

Opisywana mobilna aparatura pomiarowa typu PEMS, oprócz pomiaru st enia poszczególnych gazowych substancji szkodliwych w spalinach, umo liwia równie pomiar masowego nat enia przepywu spalin (przepywomierz), co jest niezbdne do obliczania emisji tych zwizków – np. emisji drogowej.

Wartoci st e poszczególnych szkodliwych gazowych skadników w spalinach uzyskano w efekcie wykonania bada w rzeczywistych warunkach ruchu podczas przejazdów w rejonie Poznania. Przebieg trasy badawczej, bdcej fragmentem patnej autostrady A2, zaprezentowano na rysunku 3. Jej dugo wynosia w przybli eniu 10 km. Nale y tutaj zaznaczy, i pomiary w rzeczywistych warunkach eksploatacji rozpoczynano, kiedy jednostka napdowa samochodu badawczego osigna waciw temperatur pracy. Przejazdy testowe realizowano w porze popoudniowej, przy wystpowaniu do du ego nat enia ruchu na odcinku pomiarowym. W celu przeprowadzenia przedmiotowej analizy uzyskiwano samochodem badawczym prdko wynoszc kolejno 70, 90 i 100 km/h.

Rys. 3. Odcinek testowy – fragment autostrady A2 w rejonach Poznania (opracowano na podstawie serwisu Mapy Google)

3. WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA

Na podstawie otrzymanej, w wyniku wczeniejszych oblicze, skumulowanej emisji poszczególnych substancji szkodliwych w spalinach – masy cakowitej – obliczono w dalszej kolejnoci emisj drogow tych substancji, okrelan w g/km. Emisj drogow obliczono dla ka dego przejazdu – z prdkoci 70, 90 i 100 km/h (rys. 4). Przejazdy trasy badawczej w zakresie zmiennoci prdkoci jazdy samochodem cechuj si wyra nie odmienn specyfik emisji szkodliwych skadników spalin w postaci CO, CO2, HC i NOx. Widoczny nieco odmienny trend w zmianach wartoci emisji drogowej tlenku wgla,

1

2

w zale noci od prdkoci jazdy, mo e wynika z bdu pomiaru (rys. 4a). W przypadku poruszania si obiektu badawczego z prdkoci 100 km/h, obserwowane stosunkowo du e wartoci emisji wszystkich substancji szkodliwych wynikaj ze znacznie zwikszajcego si oddziaywania oporu aerodynamicznego na jadcy pojazd po przekroczeniu (przyjtej powszechnie jako tzw. „ekonomicznej”) prdkoci 90 km/h. Obserwujc wartoci emisji drogowej analizowanych zwizków spalin mo na zauwa y, i wzrost prdkoci jazdy o zaledwie 10 km/h skutkuje zwikszeniem si tej emisji nawet a o blisko 50% – jak w przypadku emisji wglowodorów (rys. 4c).

a) b)

c) d)

Rys. 4. Wartoci emisji drogowej uzyskane dla poszczególnej prdkoci jazdy: a) tlenku wgla, b) dwutlenku wgla, c) wglowodorów, d) tlenków azotu

W celu wykazania dokadnych ró nic w emisji drogowej tlenku i dwutlenku wgla, wglowodorów oraz tlenków azotu obliczono wzgldn ró nic procentow emisji wobec stosowanej „porównawczej”, sporód trzech analizowanych, prdkoci jazdy – 90 km/h. W formie zbiorczej zaprezentowano to na rysunku 5. Z zestawienia wynika, e najbardziej zauwa alna, w przypadku jazdy z prdkoci 70 km/h, jest redukcja zawartoci CO2 w spalinach (spadek wartoci emisji o ponad 40%) oraz redukcja emisji NOx – zmniejszenie o prawie 60%. Natomiast w przypadku V = 100 km/h najwyra niej uwidoczniony jest wzrost wartoci emisji drogowej wglowodorów. Jak ju wspomniano zwikszenie emisji wglowodorów wynosi wtedy okoo 50%.

Rys. 5. Procentowa ró nica w emisji substancji szkodliwych w wyniku zastosowania ró nej prdkoci jazdy (wzgldem 90 km/h)

4. WNIOSKI

Wykonane badania drogowe samochodu osobowego w rzeczywistych warunkach jego eksploatacji uwidoczniy znaczcy wpyw osiganej prdkoci jazdy na emisj gazowych substancji w spalinach. Nale y wskaza na znaczco mniejsz emisj drogow tych zwizków w przypadku jazdy z V = 70 km/h (wobec prdkoci 90 km/h) oraz znaczcy wzrost wartoci emisji przy samochodzie poruszajcym si z V = 100 km/h. Na drogach do czsto mo na zaobserwowa stosowanie przez kierowców nadmiernej prdkoci jazdy. Majc na uwadze wnioski wycignite z przeprowadzonych bada warto podkreli, e mo e to w du ym stopniu wpywa na rodowisko naturalne i czowieka. Warto wic racjonalnie podchodzi do kwestii sposobu eksploatacji (prdko jazdy) wszelkich pojazdów.

Wykonane badania byy badaniami wstpnymi. Aby peniej okreli wpyw prdkoci jazdy samochodem na waciwoci ekologiczne pojazdu nale y poszerzy badania. Kierunkiem dalszych prac bdzie midzy innymi przeprowadzenie bada toksycznoci spalin wikszej liczby pojazdów (równie z silnikami o zaponie iskrowym i zasilanych ró nymi paliwami: LPG oraz CNG), w tym pojazdów innych kategorii homologacyjnych typu: LDV (Light Duty Vehicle – lekki pojazd u ytkowy) i HDV (Heavy Duty Vehicle – pojazd ci arowy).

Badania zostay sfinansowane ze rodków Narodowego Centrum Nauki – projekt badawczy promotorski (umowa nr 5623/B/T02/2011/40).

Bibliografia

1. Daham B., Li H., Andrews G. E., Ropkins K., Tate J. E., Bell M. C.: Comparison of real world emissions in urban driving for Euro 1–4 vehicles using a PEMS. SAE Technical Paper Series 2009-01-0941. 2. Engeljehringer K.: Automotive emission testing and certification. Past, present and future. 2nd

International Exhaust Emissions Symposium, Bielsko-Biaa 2011.

3. Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: Emisja zanieczyszcze motoryzacyjnych w wietle nowych przepisów Unii Europejskiej. Wydawnictwa Komunikacji i cznoci, Warszawa 2012.

4. Piechna J.: Podstawy aerodynamiki pojazdów. Wydawnictwa Komunikacji i cznoci, Warszawa 2000. 5. Toy E.: The distribution of vehicle mass in the on-road fleet of passenger vehicles. SAE Technical Paper

Series 2004-01-1161.

6. Vermeulen R.J.: The effects of a range of measures to reduce the tail pipe emissions and/or the fuel consumption of modern passenger cars on petrol and diesel. TNO report, IS-RPT-033-DTS-2006-01695. 7. Walsh M.: Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update. Part 3. Combustion

Engines/Silniki Spalinowe, No. 4/2011 (147), pp. 98–103. 8. www.sensors-inc.com

THE VEHICLE SPEED AND EMISSIONS OF HARMFUL SUBSTANCES IN EXHAUST GASES

Summary: The aim of the studies described in this article was to verify the thesis about the influence of

driving speed on emissions of harmful substances in the exhaust gases. The influence of speed on fuel consumption is quite easily measurable and generally possible to identify, while in order to determine the emissions of harmful substances should be used a specialized research equipment. The analysis is important from the point of view of vehicle exploitation. The paper presents the results of the road tests of a car driven by diesel engine. It contains the results of measurements of the concentration of harmful substances emitted in the exhaust. In the measurements a mobile equipment for testing the toxicity of exhaust gases was used (PEMS type). The study was conducted in real traffic conditions (motorway driving) on a selected portion of the A2 motorway, located in the regions of Poznan.