Analiza wpływu rodzaju układu napędowego i parametrów ruchu … › be48 › d7bfdb9a1f7cb3e... · 2018-12-02 · LAN – Local Area Network lokalna sieć komputerowa m – masa

P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A

WYDZIAŁ MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU

ROZPRAWA DOKTORSKA

mgr inż. Łukasz Rymaniak

Analiza wpływu rodzaju układu napędowego

i parametrów ruchu autobusów miejskich

na ekologiczne wskaźniki pracy

Promotor:

prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz

POZNAŃ 2016

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach

Europejskiego Funduszu Społecznego

Oświadczenie dotyczące promocji projektu

pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych

za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”,

Poddziałanie 8.2.2 PO KL realizowanego w latach 2013–2014

Oświadczam, że byłem stypendystą w ramach projektu pt. „Wsparcie stypendialne

dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju

Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki,

współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

I declare that I was a scholarship holder within the project “Scholarship support for

Ph.D. students specializing in majors strategic for Wielkopolska’s development”, Sub-

measure 8.2.2 Human Capital Operational Programme, co-financed by European Union

under the European Social Fund.

2

Spis treści

Streszczenie ...................................................................................................................... 4

Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń...................................................................... 6

1. Wstęp ........................................................................................................................... 8

1.1. Wprowadzenie ...................................................................................................... 8

1.2. Nowoczesne konstrukcje autobusów miejskich .................................................. 11

2. Cel i zakres pracy ..................................................................................................... 19

3. Regulacje prawne dotyczące badań i homologacji autobusów miejskich ........... 22

3.1. Wybrane przepisy obowiązujące w Unii Europejskiej ....................................... 22

3.2. Homologacja autobusów miejskich w zakresie emisji jednostkowej

zanieczyszczeń .................................................................................................... 25

4. Metodyka badań własnych ...................................................................................... 38

4.1. Obiekty badań ..................................................................................................... 38

4.2. Aparatura pomiarowa .......................................................................................... 40

4.3. Warunki realizacji pomiarów .............................................................................. 43

4.4. Program badań .................................................................................................... 47

4.5. Metoda wyznaczania charakterystyk udziałów czasu pracy oraz natężenia

emisji jednostkowej i drogowej zanieczyszczeń ................................................. 48

5. Analiza parametrów ruchu autobusów i pracy układów napędowych

w testach badawczych .............................................................................................. 51

5.1. Uwagi dotyczące analizy parametrów ruchu autobusów i pracy układów

napędowych ........................................................................................................ 51

5.2. Znormalizowany test drogowy SORT 1 ............................................................. 51



5.5. Trasa badawcza nr 1 ............................................................................................ 63



5.8. Linia miejska ....................................................................................................... 82

5.9. Podsumowanie analiz dotyczących parametrów pracy autobusów i układów

napędowych ........................................................................................................ 88

6. Parametry pracy silników spalinowych w testach homologacyjnych .................. 89

6.1. Dynamiczne testy homologacyjne ...................................................................... 89

6.2. Porównanie parametrów pracy silników spalinowych w testach

homologacyjnych i badaniach drogowych .......................................................... 92

7. Analiza wskaźników ekologicznych i zużycia paliwa autobusów miejskich

w rzeczywistych warunkach ruchu ......................................................................... 97

7.1. Uwagi ogólne ...................................................................................................... 97

7.2. Emisja jednostkowa i drogowa zanieczyszczeń wyznaczona z pomiarów

przeprowadzonych w testach drogowych SORT ................................................ 97

3


przeprowadzonych na trasach badawczych ...................................................... 104


przeprowadzonych na linii miejskiej ................................................................ 111

7.5. Współczynniki emisji jednostkowej zanieczyszczeń wyznaczone na

podstawie badań drogowych i dopuszczalnych wartości homologacyjnych .... 116

7.6. Zużycie paliwa obliczone na podstawie badań drogowych .............................. 118

8. Emisja jednostkowa zanieczyszczeń wyznaczona w aspekcie obecnie

obowiązujących przepisów dotyczących zgodności w eksploatacji

pojazdów ciężkich ................................................................................................... 122

9. Podsumowanie ........................................................................................................ 125

Literatura .................................................................................................................... 129

Abstract ........................................................................................................................ 136

4

Streszczenie

Autobusy miejskie mają istotny wpływ na jakość środowiska w aglomeracjach, gdzie

występują duże skupiska ludzi. Wynika to z wielkości populacji rozpatrywanej grupy

pojazdów oraz mocy stosowanych w nich układów napędowych. Parametry pracy

silników spalinowych autobusów są bezpośrednio związane ze specyficznymi

warunkami eksploatacji miejskiej. Rozwój aparatury pomiarowej i metod oceny emisji

zanieczyszczeń w warunkach drogowych stwarza nowe możliwości poznawcze służące

ocenie środków transportu różnych kategorii. Przedstawione fakty przyczyniły się do

realizacji rozprawy doktorskiej, której głównym celem jest określenie wpływu

zastosowanych układów napędowych i parametrów ruchu autobusów miejskich na

emisję związków szkodliwych oraz wskazanie różnic między procedurami

homologacyjnymi a rzeczywistą eksploatacją, w aspekcie charakterystyki pracy ich

silników spalinowych.

We wstępie przedstawiono rozważania dotyczące wielkości populacji autobusów

miejskich wraz z obecnymi i przyszłymi tendencjami rozwoju ich konstrukcji, a także

przykłady rozwiązań producentów takich pojazdów. Następnie zdefiniowano cel

i zakres rozprawy, jej tezy oraz sformułowano problemy badawcze. Dalej omówiono

regulacje prawne dotyczące badań i homologacji autobusów miejskich, obejmujące

głównie emisję jednostkową zanieczyszczeń w aspekcie norm Euro V i Euro VI.

Przytoczono również metody pomiaru emisji związków szkodliwych w rzeczywistych

warunkach ruchu drogowego odnoszące się do kontroli zgodności pojazdu ciężkiego

podczas eksploatacji.

W rozdziale dotyczącym metodyki badań opisano obiekty wykorzystane w pracy,

którymi były osiemnastometrowe autobusy miejskie wyposażone w trzy rodzaje

układów napędowych: konwencjonalny, hybrydowy o konfiguracji szeregowej, a także

pojazd zasilany sprężonym gazem ziemnym. Dalej przedstawiono wykorzystaną

aparaturę pomiarową, program realizacji badań i warunki w jakich był on wykonywany.

Prace badawcze prowadzono w testach jezdnych SORT oraz w rzeczywistych

warunkach eksploatacji obejmujących cztery specjalnie przygotowane trasy

w aglomeracji poznańskiej i jej okolicach, a także pomiary na linii miejskiej.

Omówiono również metodę wyznaczania charakterystyk udziałów czasu pracy

i natężenia emisji zanieczyszczeń z autorskimi założeniami, dotyczącymi rozpatrywanej

grupy pojazdów.

Na podstawie uzyskanych wyników badań dokonano szczegółowej oceny

parametrów ruchu autobusów i pracy układów napędowych. Porównano dane

zarejestrowane w znormalizowanych cyklach jezdnych z wartościami dotyczącymi

rzeczywistych warunków drogowych. Następnie przeprowadzono rozważania

obejmujące dynamiczne testy homologacyjne, które odniesiono do pomiarów

wykonanych na linii miejskiej. W kolejnej części rozprawy przedstawiono analizę

wskaźników ekologicznych obejmującą zarówno jednostkową, jak i drogową emisję

zanieczyszczeń autobusów miejskich. Dodatkowo wyznaczono dla tych pojazdów

przebiegowe zużycie paliwa. Ze względu na obecnie obowiązujące przepisy Euro VI,

całość uzupełniono rozważaniami w aspekcie procedury zawartej w Rozporządzeniu

5

UE 582/2011, dotyczącej zgodności emisji jednostkowej zanieczyszczeń w eksploatacji,

gdzie wykorzystano autorskie założenia opracowane na potrzeby rozprawy.

W podsumowaniu zawarto ogólną charakterystykę wyników pracy, wnioski

szczegółowe, a także kierunki dalszych prac.

Przedstawiona dysertacja dostarcza nowej wiedzy w zakresie wpływu stosowanych

układów napędowych i parametrów ruchu autobusów miejskich na ekologiczne

wskaźniki pracy. Wykonane analizy wyników pomiarów pozwoliły wskazać

rozwiązania najbardziej przyjazne środowisku w aspekcie emisji drogowej oraz

jednostkowej zanieczyszczeń – w zakresie CO i THC autobus z szeregowym napędem

hybrydowym, natomiast dla NOx i PM autobus zasilany sprężonym gazem ziemnym.

Rozważania obejmujące porównanie badań drogowych z testami jezdnymi SORT

wykorzystano do oceny przydatności stosowania tych testów. Ponieważ autobusy

miejskie eksploatowane są w specyficznych warunkach, odmiennych niż inne pojazdy

kategorii ciężkiej, do której klasyfikowane są badane obiekty, określono różnice

w udziałach czasu pracy silników spalinowych podczas testów homologacyjnych

i rzeczywistej eksploatacji. Wykorzystując współczynniki emisji zanieczyszczeń

sformułowano wnioski, gdzie uwzględniono zależności między pomiarami drogowymi

oraz wytycznymi legislacyjnymi. Pozwoliło to stwierdzić czy rzeczywista emisja

zanieczyszczeń jest większa niż wartości graniczne określone w normach. Na podstawie

obliczonych metodą bilansu węgla wartości przebiegowego zużycia paliwa, wykonano

uproszczony bilans ekonomiczny obejmujący koszty eksploatacji badanych pojazdów

i wskazano najkorzystniejsze rozwiązanie (napęd hybrydowy). Badania drogowe

wykonane w odniesieniu do najnowszych przepisów homologacyjnych pozwoliły

sprawdzić, czy wartości emisji jednostkowej zanieczyszczeń wyznaczone zgodnie z ich

metodyką, odpowiadają wynikom uzyskanym dla całego testu pomiarowego.

6

Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń

a – acceleration – przyspieszenie

CAN – Controller Area Network – szeregowa magistrala komunikacyjna

CF – Conformity Factor – współczynnik zgodności emisji zanieczyszczeń

CH4 – metan

CNG – Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny

CO – Carbon Monoxide – tlenek węgla

CO2 – Carbon Dioxide – dwutlenek węgla

CVS – Constant Volume Sample – układ rozcieńczający gazy wylotowe o stałym

natężeniu przepływu

DOC – Diesel Oxidation Catalyst – utleniający reaktor katalityczny

DPF Diesel Particulate Filter – filtr cząstek stałych silników ZS

EEC – European Economic Community – Europejska Wspólnota Gospodarcza

EEV – Enhanced Environmentally Friendly Vehicle – pojazd bardziej przyjazny

środowisku

EFM-HS – Exhaust Flow Meter High Speed – aparatura do badania przepływu gazów

wylotowych o dużej częstotliwości próbkowania

EGR – Exhaust Gas Recirculation – układ recyrkulacji gazów wylotowych

ELR – European Load Response – europejski test obciążenia

EPA – Environment Protection Agency – Amerykańska Agencja Ochrony

Środowiska

ESC – European Stationary Cycle – europejski test statyczny dotyczący norm

Euro III–V

ETC – European Transient Cycle – europejski test dynamiczny dotyczący norm

Euro III–V

Euro – normy emisji spalin w Europie

e – emisja jednostkowa związku szkodliwego

FC – Fuel Consumption – zużycie paliwa

FID – Flame Ionization Detector – analizator płomieniowo-jonizacyjny

GPP – Green Public Procurement – Zielone Zamówienia Publiczne

GPS – Global Positioning System – globalny system pozycjonowania

HDV – Heavy-Duty Vehicle pojazd ciężki

k – wskaźnik emisji jednostkowej związku szkodliwego

LAN – Local Area Network lokalna sieć komputerowa

m – masa

Mo – moment obrotowy

MPI – Multi Point Injection wielopunktowy wtrysk paliwa

MSS – Micro Soot Sensor – przyrząd do pomiaru cząstek stałych firmy AVL

n – prędkość obrotowa wału korbowego

NDIR – Non-Dispersive Infrared – niedyspersyjny na promieniowanie

podczerwone

NDUV – Non-Dispersive Ultraviolet – niedyspersyjny na promieniowanie

ultrafioletowe

7

Ne – moc silnika spalinowego

NMHC – Non-Methane Hydrocarbons – węglowodory niemetanowe

NOx – Nitrogen Oxides – tlenki azotu

OECD Organization for Economic Co-operation and Development – Organizacja

Współpracy Gospodarczej i Rozwoju

ON olej napędowy

PC Passenger Car – samochód osobowy

PEMS Portable Emission Measurement System – mobilne urządzenie do pomiarów

mobilnych emisji spalin

PM – Particulate Matter – cząstki stałe

PN – Particle Number – liczba cząstek stałych

RDE Real Driving Emissions – rzeczywista emisja zanieczyszczeń w warunkach

drogowych

s droga

SAE – Society of Automotive Engineers – Stowarzyszenie Inżynierów

Samochodowych w Stanach Zjednoczonych

SCR Selective Catalytic Reduction – selektywna redukcja katalityczna

SORT Standarised On-Road Tests – znormalizowane testy jezdne dla autobusów

t time – czas

TD – Time Density – gęstość czasowa

THC – Total Hydrocarbons – suma węglowodorów niemetanowych i metanu

TWC – Three Way Catalyst – trójfunkcyjny reaktor katalityczny

ui – współczynnik udziału

UITP Union Internationale des Transports Publics – Międzynarodowe

Stowarzyszenie Transportu Publicznego

UNECE – United Nations Economic Comission for Europe – Europejska Komisja

Gospodarcza

V – velocity – prędkość pojazdu

VTG – Variable Turbocharger Geometry – turbosprężarka ze zmienną geometrią

łopat kierownicy turbiny

WHO – World Health Organization – Światowa Organizacja Zdrowia

WHSC – World Harmonized Stationary Cycle – światowy test statyczny dotyczący

normy Euro VI

WHTC – World Harmonized Transient Cycle – światowy test dynamiczny

dotyczący normy Euro VI

Ws – praca silnika spalinowego

ZI – zapłon iskrowy

ZS – zapłon samoczynny

8

1. Wstęp

1.1. Wprowadzenie

Ochrona środowiska naturalnego jest obecnie jednym z najważniejszych problemów

ludzkości. Światowa organizacja zdrowia WHO (World Health Organization) w swoich

raportach [92] podaje, że w 2012 r. około 3,7 mln ludzi zmarło przedwcześnie

z powodu zanieczyszczeń powietrza. W samej Unii Europejskiej skażenie otoczenia

powoduje blisko pół miliona zgonów jej mieszkańców rocznie, a cząstki stałe PM

(Particulate Matter) przyczyniają się do skrócenia życia średnio o 8,6 miesiąca [2, 92].

Oprócz tego w ogólnym bilansie ekonomicznym generowane są dodatkowe koszty

związane z leczeniem, zwolnieniami z pracy, stratami w uprawach rolnych,

uszkodzeniami, konserwacją maszyn itp. Wśród wielu przyczyn negatywnie

wpływających na jakość powietrza istotną rolę odgrywa motoryzacja. Producenci

pojazdów i silników spalinowych oferują coraz bardziej efektywne rozwiązania, jednak

w dalszym ciągu konieczne jest prowadzenie prac, mających na celu zmniejszenie masy

składników szkodliwych emitowanych do atmosfery.

Na całym świecie pojazdy ciężkie HDV (Heavy-Duty Vehicle) mają duży udział

w emisji zanieczyszczeń, uwzględniając cały sektor transportu. Jest ich mniej niż

samochodów osobowych PC (Passenger Car), jednak ze względu na masy oraz znaczne

przebiegi związane z długimi trasami, istotnie wpływają na degradację środowiska

naturalnego. Na podstawie badań realizowanych na całym świecie, szacuje się, że

w latach 2020–2030 grupa pojazdów HDV osiągnie największy udział około 31%

zużycia paliwa i emisji CO2 odnosząc się do wszystkich pojazdów wykorzystujących do

napędu silniki spalinowe [37, 41, 76]. Na podstawie informacji przedstawionych przez

Wards Auto Group Inc. można wyróżnić trzy główne regiony sprzedaży dla grupy

HDV: Chiny, Stany Zjednoczone oraz Europę. Dla tych obszarów w 2013 r. liczba

nowych pojazdów odebrana przez klientów wyniosła ponad 55,4 mln, co stanowi około

70% udziału w całkowitej produkcji na świecie [89].

Udział autobusów miejskich, pozamiejskich oraz turystycznych w odniesieniu do

wszystkich pojazdów HDV w Unii Europejskiej wynosi 11%, natomiast szacowana

wartość zużywanego przez nie paliwa stanowi 15% w odniesieniu do całej populacji

[76, 81]. Całkowita liczba zarejestrowanych pojazdów ciężkich (z uwzględnieniem

samochodów specjalnych) w grudniu 2014 r., na terenie Polski, wynosiła ponad 3,6 mln

egzemplarzy. Grupa autobusów stanowiła 106 057 sztuk, z czego blisko 85% (89 996

sztuk) wykorzystywanych było w przedsiębiorstwach komunikacji miejskiej (rys. 1.1)

[43, 66, 94]. W latach 2000–2006 liczba zarejestrowanych pojazdów utrzymywała się

na zbliżonym poziomie i wynosiła około 81 000 sztuk, natomiast w każdym kolejnym

roku zwiększała się ich populacja średnio o 2,3%. W 2014 r. obsługiwanych było

15 498 regularnych linii komunikacyjnych, o całkowitej długości 788 612 km, gdzie

przewieziono blisko 431,5 mln pasażerów. Należy zaznaczyć, że dominowały trasy

podmiejskie, które stanowiły 77,6% ogółu. Ze względu na strukturę wiekową

autobusów, udział pojazdów do 5 lat stanowił 8,1%, w przedziale 6–15 lat osiągnął

28%, w kolejnej grupie do 30 lat wyniósł 45,7% [43].

9

Rys. 1.1. Liczba autobusów zarejestrowanych w Polsce w latach 1990–2014 [43, 66, 94]

W większości obszarów na Ziemi wprowadzone zostały różnego rodzaju regulacje

definiujące warunki dopuszczenia silnikowych środków transportu do użytkowania,

metody homologacji, a także konieczność i przebieg realizacji okresowych badań ich

stanu technicznego. Na terenie Unii Europejskiej w zakresie homologacji pojazdów

ciężkich, pod względem spełnienia standardów emisyjnych, wprowadzano kolejne

normy Euro: od I do VI, uzupełniane standardami EEV (Enhanced Environmentally

Friendly Vehicle) dla Euro III–V. Przepisy przewidują wykonywanie badań na

hamowni silnikowej wyłącznie samych jednostek spalinowych, w zdefiniowanych

cyklach pomiarowych statycznych i dynamicznych. Wraz z wprowadzeniem Euro VI

(homologacja od 31.12.2012, pierwsza rejestracja od 31.12.2013) zaczęły obowiązywać

nowe testy: WHSC (World Harmonized Stationary Cycle) oraz WHTC (World

Harmonized Transient Cycle), zastępując stosowane do tej pory ETC (European

Transient Cycle), ESC (European Stationary Cycle) i ELR (European Load Response).

Na podstawie prowadzonych w ostatnich latach prac należy stwierdzić, że pomiary

jakościowe i ilościowe gazów wylotowych z silników spalinowych wykonywane

w warunkach laboratoryjnych, mogą znacznie różnić się od rzeczywistej emisji pojazdu

danej kategorii, w tym także HDV [5, 19, 52, 61, 62, 64, 65]. W związku z tym

prowadzone są nieustanne działania mające na celu opracowanie szczegółowych

i uniwersalnych metod oceny emisji zanieczyszczeń w warunkach drogowych RDE

(Real Driving Emissions). Postępujący w ostatnich latach rozwój i miniaturyzacja

aparatury pomiarowej należącej do grupy mobilnych analizatorów spalin PEMS

(Portable Emission Measurement System), pozwala wykonywać coraz dokładniejsze

badania ekologiczności pojazdów w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Obecnie na

całym świecie prowadzone są programy pilotażowe dotyczące tego typu zagadnień

[1, 8, 9, 40]. Od chwili obowiązywania normy Euro VI, konieczne jest wykonywanie

pomiarów drogowych przez producentów w zakresie kontroli zgodności pojazdów

ciężkich w eksploatacji, zasilanych różnymi rodzajami paliw [33, 34, 54]. Te wszystkie

czynniki skłoniły autora rozprawy do wykonania badań autobusów miejskich podczas

rzeczywistej eksploatacji, na podstawie których dokonano oceny wpływu rodzaju

układu napędowego i parametrów ruchu na ekologiczne wskaźniki pracy, czyli emisję

jednostkową i drogową związków szkodliwych spalin.

10

Niezmiennie od wielu lat, najczęściej stosowane paliwa pochodzą ze źródeł

nieodnawialnych. Najpopularniejsza jest ropa naftowa, której według przewidywań

najintensywniejsza eksploatacja wystąpi w krajach należących do OECD (Organization

for Economic Cooperation and Development) za około 15–20 lat. Średniorocznie

zwiększa się jej wykorzystanie w tych państwach o blisko 2,5% [67]. Przewiduje się, że

w pozostałych krajach największe wskaźniki zużycia ropy naftowej będą osiągnięte

w 2030 r. Nieustannie zwiększa się liczba samochodów osobowych eksploatowanych

na świecie, jednak ich układy napędowe są coraz ekologiczniejsze i ekonomiczniejsze.

Szacuje się że w 2040 r. ich udział w zapotrzebowaniu na paliwo będzie na zbliżonym

poziomie do stanu obecnego (rys. 1.2) [37]. W odniesieniu do grupy HDV nastąpi

znaczący przyrost liczby eksploatowanych pojazdów – przez najbliższe 25 lat o około

700 mln, co przełoży się na istotne zwiększenie udziału w zapotrzebowaniu na

paliwo [37].

Rys. 1.2. Względne zapotrzebowanie na paliwa w transporcie do 2040 r. [37]

W przemyśle motoryzacyjnym trwają nieustanne prace mające na celu

wprowadzanie i upowszechnianie rozwiązań sparzających oszczędności energii oraz

ochronie środowiska. Należy tutaj wymienić przede wszystkim stosowanie paliw

alternatywnych, napędów hybrydowych oraz elektrycznych, a także ogniw paliwowych

[11, 42, 46, 53, 77]. Wymusza to wprowadzanie istotnych zmian w konstrukcji

pojazdów i dostosowywanie infrastruktury np. przez budowanie stacji ładowania

akumulatorów. Unia Europejska intensywnie wspiera rozwój nowych technologii oraz

systemów w zakresie ekologicznego transportu drogowego, zachęcając jednocześnie

do wykorzystywania odnawialnych źródeł energii. W związku z tym, opracowano

w 2008 r. Inicjatywę dla Ekologicznych Samochodów GCI (Green Cars Initiative) [36].

Obejmuje ona pięć głównych obszarów: silniki spalinowe (poprawa sprawności

szczególnie w rozwiązaniach przeznaczonych do HDV), biopaliwa, logistykę,

elektryfikację układów napędowych, a także stosowanie ogniw paliwowych.

Lata

Ud

zia

ł w

za

po

trze

bo

wa

niu

na p

ali

wo

[%

]

2040

75

50

25

0

Kolej

Transport morski

Lotnictwo

Pojazdy ciężkie

Samochody osobowe

2000 2020

11

Napędy hybrydowe stosowane w autobusach miejskich odznaczają się wieloma

korzystnymi parametrami operacyjnymi w warunkach miejskiej eksploatacji. Dzięki ich

zastosowaniu możliwe jest wyłączanie silnika spalinowego podczas postoju, ustalenie

parametrów pracy jednostki spalinowej w obszarze największych sprawności, czy też

w zaawansowanych rozwiązaniach wykorzystanie wyłącznie silników elektrycznych,

gdzie obowiązują strefy bezemisyjne [79, 83]. W tego typu układach możliwe jest

również użycie systemów hamowania z odzyskiem energii, w których energia

kinetyczna pojazdu jest przekształcana w energię elektryczną. Innym, coraz częściej

stosowanym rozwiązaniem, jest wykorzystanie paliw alternatywnych do zasilania

pojazdów. W 2014 r. w Polsce użytkowanych było 331 autobusów tego typu [43].

Najczęściej stosowany jest gaz ziemny CNG (Compressed Natural Gas), który jest

nietoksyczny, przechowywany w formie sprężonej jako technicznie prostszy,

a głównym jego składnikiem jest metan (83–90% objętości). Wytyczne Unii

Europejskiej wskazują, że paliwo to do 2020 r. ma osiągnąć 10-procentowy udział na

rynku spośród wszystkich paliw alternatywnych [12]. Oprócz tego uwzględnia się

biopaliwa płynne i wodór, gdzie przewidywane udziały mają stanowić 8% i 5%.

Obecnie w autobusach miejskich najczęściej stosowane są konwencjonalne układy

napędowe, gdzie silnik spalinowy o ZS (zapłon samoczynny) jest połączony ze skrzynią

biegów i elementami przeniesienia napędu. Układy takie będą najprawdopodobniej

występowały jeszcze przez kilka najbliższych lat, m.in. ze względu na ukształtowanie

infrastruktury, stosunkowo małe koszty zakupu i łatwą obsługę/naprawę pojazdu

odnosząc się do rozwiązań alternatywnych oraz ceny paliw. W związku z tym

w nowoczesnych silnikach spalinowych jest stosowanych wiele zabiegów

konstrukcyjnych i rozwiązań innowacyjnych, które pozwalają zwiększyć ich sprawność

oraz poprawić emisyjne wskaźniki ekologiczne [48, 49, 74]. Zgodnie z obecnymi

tendencjami opracowywane są rodziny jednostek o zbliżonej konstrukcji, różniące się

między sobą m.in. układem doładowania lub parametrami sterowania. Dzięki temu

producenci pojazdów i maszyn mają możliwości wyboru silnika o konkretnych

parametrach, spełniających zapotrzebowanie na pracę mechaniczną ich produktów.

1.2. Nowoczesne konstrukcje autobusów miejskich

Jedne z głównych strategii działań, dotyczących transportu w miastach i regionach

Unii Europejskiej, ukierunkowane są na zwiększenie udziału transportu publicznego.

W związku z tym konieczne jest wprowadzanie rozwiązań w autobusach miejskich

oddziałujących w jak najmniejszym stopniu na otoczenie, w zakresie nie tylko emisji

zanieczyszczeń, ale również zmniejszania hałasu. Najczęściej stosowanymi środkami

służącymi zmniejszaniu zawartości toksycznych składników w gazach wylotowych są

pozasilnikowe układy oczyszczania spalin, takie jak: układy selektywnej redukcji

katalitycznej SCR (Selective Catalytic Reduction), filtry cząstek stałych DPF (Diesel

Particulate Filter), reaktory katalityczne typu DOC (Diesel Oxidation Catalyst) i TWC

(Three Way Catalyst), a także w samej jednostce spalinowej wykorzystanie systemu

recyrkulacji spalin EGR (Exhaust Gas Recirculation) [39, 52, 60]. W celu przybliżenia

aktualnych tendencji rozwojowych konstrukcji autobusów miejskich, przedstawiono

12

najciekawsze rozwiązania pojazdów o długości osiemnastu metrów, wyposażonych

w różne typy układów napędowych, spełniające normy emisji spalin Euro V i VI.

Solbus Solcity SM 18

W rodzinie autobusów firmy Solbus o oznaczeniu SM, dostępnej na rynku od

2009 r., występują pojazdy niskopodłogowe o długości dwunastu i osiemnastu metrów,

wyposażane w silniki zasilane olejem napędowym i gazem ziemnym. W wersji SM 18

z konwencjonalnym układem zasilania zastosowano samonośne dwuczłonowe

nadwozie z podłogą o konstrukcji kratownicowej (tab. 1.1, rys. 1.3). W celu uzyskania

jak najmniejszej masy, w konstrukcji szkieletu m.in. zastąpiono profile zamknięte

belkami o przekroju ceowym w mniej obciążonych węzłach, a także wycięto otwory

w miejscach, gdzie nie występują duże obciążenia. Standardowa wersja autobusu jest

napędzana sześciocylindrowym silnikiem Cummins ISB8.9E5 340B o objętości

skokowej 8,9 dm3, chrakteryzujący się mocą znamionową 250 kW i masą 737 kg.

Współpracuje on z automatyczną skrzynią biegów o sześciu przełożeniach: Voith

D864.5 lub ZF-Ecomat 6HP 604. Niezależne przednie zawieszenie łączy się z osią

ZF RL75EC, oś centralna jest typu portalowego ZF AVN 132/80, natomiast napęd jest

przenoszony przez układ odpowiedni dla zastosowanej przekładni – Voith

BRA132DC80 albo ZF AV 132/80. Producent deklaruje przebiegowe zużycia paliwa

wynoszące 51 dm3/100 km podczas eksploatacji w warunkach miejskich. Autobus może

przewieźć jednocześnie 179 pasażerów zależnie od opcji wyposażenia [49].

Tab. 1.1. Dane techniczne autobusu Solbus Solcity SM 18 [49]

Oznaczenie silnika Cummins ISB8.9E5 340B

Typ/paliwo 4-suwowy, ZS/ON

Objętość skokowa [dm3] 8,9

Liczba/układ cylindrów 6/rzędowy

Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 250/2100

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]/[obr/min] 1500/1200–1400

Norma emisji spalin Euro V–EEV

Skrzynia przekładniowa Automatyczna: Voith D864.5 lub

ZF-Ecomat 6HP 604

Rys. 1.3. Autobus Solbus Solcity SM 18 [49]

13

Solaris Urbino 18 (IV generacja)

Marka Solaris, będąca polskim producentem autobusów, posiada w swojej ofercie

rodzinę pojazdów miejskich oznaczonych symbolem Urbino od 10 do 18,75 (symbol

liczbowy określa przybliżoną długość nadwozia) z jednostkami napędowymi zasilanymi

zarówno olejem napędowym, jak i sprężonym gazem ziemnym. Najnowsza IV

generacja Urbino 18 dostępna jest na rynku od 2015 r. i w podstawowej wersji posiada

sześciocylindrowy silnik ZS firmy DAF o mocy maksymalnej 240 kW (tab. 1.2, rys.

1.4). Jego objętość skokowa wynosi 10,8 dm3, w układzie dolotowym zastosowano

sprężarkę ze zmienną geometrią łopat VTG (Variable Turbo Geometry), a główne

elementy pozasilnikowego systemu oczyszczania spalin stanowią systemy redukcji

katalitycznej SCR oraz filtry DPF. Wytworzona praca mechaniczna jest przenoszona na

koła z wykorzystaniem przekładni automatycznej Voith D864.6 lub w opcji ZF 6AP

Ecolife. Dopracowana konstrukcja autobusu, w odniesieniu do poprzednich wersji,

charakteryzuje się zmniejszoną wysokością o 50 mm (bez wpływu na wymiary

przestrzeni pasażerskiej), bardziej równomiernym rozkładem mas (m.in. przeniesienie

zbiorników paliwa nad drugą oś) i obniżeniem środka ciężkości. Te modyfikacje mają

bezpośredni wpływ na poprawę stabilności i bezpieczeństwa podczas jazdy autobusu.

W czasie wymiany pasażerów możliwe jest obniżenie podłogi o 70 mm. Ponadto

zmniejszono masę własną pojazdu oraz natężenie wibracji i hałasu. Emisja hałasu

wynosi 74,8 dB (europejska norma określa poziom 80 dB, natomiast niemiecka 77 dB).

W zależności od opcji wyposażenia, autobus może przewieźć jednorazowo do 183

pasażerów (maksymalna liczba miejsc siedzących wynosi 47) [49].

Tab. 1.2. Dane techniczne autobusu Solaris Urbino 18 (IV generacja) [49]

Oznaczenie silnika DAF/Paccar MX-11




Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 240/1650

Maksymalny moment


Norma emisji spalin Euro VI

Skrzynia przekładniowa Automatyczna: Voith D864.6 lub

ZF 6AP Ecolife

Rys. 1.4. Autobus Solaris Urbino 18 (IV generacja) [49]

14

Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid

W autobusie Citaro G BlueTec Hybrid zastosowano hybrydowy układ napędowy

o konfiguracji szeregowej (tab. 1.3, rys. 1.5). Silnik spalinowy ZS firmy Mercedes OM

924 LA o mocy maksymalnej 160 kW wykorzystywany jest jako generator energii

elektrycznej. Posiada cztery cylindry w układzie rzędowym, których łączna objętość

skokowa wynosi 4,8 dm3. To rozwiązanie charakteryzuje się znacznie mniejszą masą

(o ponad 500 kg), w odniesieniu do standardowej jednostki spalinowej (o objętości

skokowej 12 dm3) stosowanej w pojazdach konwencjonalnych o zbliżonych

parametrach użytkowych. Silniki elektryczne umieszczono w piastach kół drugiej,

a także trzeciej osi pojazdu. Moc znamionowa każdego z nich wynosi 80 kW. Pakiet

akumulatorów wykonanych w technologii litowo-jonowej jest w stanie magazynować

energię o wartości 19,4 kW·h, gdzie całkowita ich masa wynosi 350 kg. Znaczna część

układów użytkowych wykorzystuje do napędu energię elektryczną, m.in. sprężarki

powietrza i klimatyzacji, system wspomagania przekładni kierowniczej itp. W wersji

podstawowej autobus wyposażony jest w 46 miejsc siedzących (nie uwzględniając

kierowcy) i może przewozić maksymalnie do 125 pasażerów. Producent twierdzi, że

zastosowany układ hybrydowy pozwala zmniejszyć nawet o 30% zużycie paliwa

w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych [49].

Tab. 1.3. Dane techniczne autobusu Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid [49]

Oznaczenie silnika Mercedes OM 924 LA




Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 160/2200

Maksymalny moment



Rodzaj układu hybrydowego

Szeregowy, cztery silniki elektryczne

o mocy 80 kW każdy, umieszczone

w piastach kół drugiej i trzeciej osi

Rys. 1.5. Autobus Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid [98]

15

Volvo 7900 Hybrid Articulated

Seria autobusów oznaczona symbolem 7900 stanowi najnowszą rodzinę pojazdów

komunikacji miejskiej firmy Volvo, spełniającą standardy Euro VI. W konstrukcji

układu napędowego modelu 7900 Hybrid Articulated zastosowano układ hybrydowy

o konfiguracji równoleglej (tab. 1.4, rys. 1.6). Wykorzystany silnik spalinowy typu ZS

charakteryzuje się mocą maksymalną 177 kW i masą wynoszącą 560 kg. Jest on

połączony z jednym silnikiem elektrycznym (moc znamionowa 150 kW), który

współpracuje ze skrzynią biegów. Wykorzystane w konstrukcji akumulatory litowo-

jonowe utrzymują napięcie 600 V i mogą przechować 2,4 kW·h energii. Zastosowana

skrzynia Volvo I-Shift zmienia przełożenia podczas pracy pojazdu w taki sposób, aby

uzyskać jak najefektywniejszy przebieg ładowania akumulatorów, również w czasie

hamowania regeneracyjnego. Ponadto podczas dojazdu, postoju oraz ruszania

z przystanków używane są jedynie silniki elektryczne, co zmniejsza uciążliwość dla

pasażerów przez ograniczenie emisji zanieczyszczeń i hałasu. W autobusie może

podróżować do 154 pasażerów (zależnie od opcji wyposażenia), co stanowi jeden

z najlepszych wyników w klasie osiemnastometrowych pojazdów hybrydowych.

Producent zapewnia, że w odniesieniu do konwencjonalnego autobusu spełniającego

normę Euro V, zastosowany napęd alternatywny umożliwia zmniejszenie

przebiegowego zużycia paliwa o około 40% oraz emisję NOx i PM o około 50% [49].

Tab. 1.4. Dane techniczne autobusu Volvo 7900 Hybrid Articulated [49]

Oznaczenie silnika Volvo D5K 240




Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 177/2200

Maksymalny moment



Rodzaj układu hybrydowego

Równoległy, jeden silnik elektryczny

o mocy 150 kW umieszczony między

silnikiem spalinowym i skrzynią biegów

Rys. 1.6. Autobus Volvo 7900 Hybrid Articulated [98]

16

Irisbus Citelis 18M CNG

Hiszpański producent autobusów Irisbus przedstawił w swojej ofercie

osiemnastometrowy pojazd zasilany CNG należący do rodziny Citelis (tab. 1.5,

rys. 1.7). Zastosowany silnik spalinowy typu ZI (zapłon iskrowy) o objętości skokowej

7,8 dm3 osiąga moc maksymalną 228 kW. Ponieważ jednostka pracuje na mieszance

stechiometrycznej, w układzie wylotowym wykorzystano trójfunkcyjny reaktor

katalityczny TWC. Układ zasilana stanowi wielopunktowy system wtrysku sterowany

elektronicznie MPI (Multi Point Injection). W zależności od wyposażenia występują

dwa rodzaje przekładni automatycznych: Voith D854.5 lub ZF 4HP502/5HP502. Na

dachu autobusu zamontowano 10 wysokociśnieniowych butli o objętości 155 dm3

i masie 126 kg każda. Można w nich zmagazynować paliwo wystarczające do

przejechania dystansu w przedziale 450–700 km w zależności od warunków

eksploatacji. Według producenta dzięki zastosowaniu silnika zasilanego CNG (w tym

także biometanem), hałas związany z jego pracą jest mniejszy o 5 dB w odniesieniu do

standardowej jednostki ZS, charakteryzującej się podobnymi parametrami

znamionowymi. Ponadto biorąc pod uwagę wskaźniki ekologiczne, zastosowanie

paliwa gazowego pozwala ograniczyć emisję NOx o 86%, natomiast PM o 97%.

W zależności od wyposażenia i układu miejsc siedzących, w pojeździe może być

przewożone do 151 pasażerów [49].

Tab. 1.5. Dane techniczne autobusu Irisbus Citelis 18M CNG [49]

Oznaczenie silnika Iveco Cursor 8 F2BE0642C CNG

Typ/paliwo 4-suwowy, ZI/CNG



Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 228/2000

Maksymalny moment



Skrzynia przekładniowa

Automatyczna:

Voith D854.5 lub

ZF 4HP502/5HP502

Rys. 1.7. Autobus Irisbus Citelis 18M CNG [95]

17

MAN Lion's City G LE 18 CNG

Producent serii autobusów miejskich Lion's City oferuje gamę rozwiązań z silnikami

ZI zasilanymi CNG, o długościach od 12 do 18,75 m. Osiemnastometrowy pojazd

oznaczony symbolem G LE 18 CNG wyposażono w jednostkę spalinową MAN E2876

o objętości skokowej 12,8 dm3 i mocy znamionowej 228 kW (tab. 1.6, rys. 1.8). Ze

względu na uzyskiwanie mieszanek bliskich wartościom stechiometrycznym w procesie

spalania, w jego układzie wylotowym zastosowano trójfunkcyjny reaktor katalityczny

TWC. Konstruktorzy firmy MAN deklarują, że pomimo zastosowania silnika

pracującego w obiegu Otto wykorzystującego paliwo alternatywne, interwały

przeglądów oraz liczba czynności serwisowych nie uległy zmianie w odniesieniu do

konwencjonalnych rozwiązań z jednostkami ZS. Napęd na koła jest przenoszony przez

automatyczną skrzynię biegów: Voith D864.5 lub ZF 6 AP EcoLife. Sprężony gaz

ziemny przechowywany jest pod ciśnieniem około 20 MPa w 9 butlach wykonanych

z materiałów kompozytowych o objętości 214 dm3 każda, umieszczonych na dachu

autobusu. Zależnie od warunków eksploatacji, umożliwia to przejechanie do 500 km.

W konstrukcji pojazdu zastosowano rozwiązania sprzyjające zmniejszaniu

energochłonności, m.in. zastąpiono mechaniczny napęd sprężarki klimatyzacji silnikiem

elektrycznym. Przedstawiony pojazd charakteryzuje się małą wysokością – 3300 mm,

w odniesieniu do innych autobusów zasilanych CNG. Zależnie od wyposażenia, autobus

może przewozić maksymalnie 151 pasażerów [49].

Tab. 1.6. Dane techniczne autobusu MAN Lion's City G LE 18 CNG [49]

Oznaczenie silnika MAN E2876 LUH07

Typ/paliwo 4-suwowy, ZI/CNG



Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 228/2000

Maksymalny moment



Skrzynia przekładniowa

Automatyczna:

Voith D864.5 lub

ZF 6 AP EcoLife

Rys. 1.8. Autobus MAN Lion's City G LE 18 CNG [49]

18

Warunki eksploatacji autobusów miejskich uzależnione są m.in. od charakteru

realizowanej trasy komunikacyjnej, obciążenia linii, liczby przystanków, infrastruktury

drogowej, chwilowych warunków ruchu itp. Obecnie w rozpatrywanej grupie pojazdów

są wykorzystywane układy napędowe charakteryzujące się różnego rodzaju

konfiguracjami, co ma bardzo duże znaczenie w aspekcie warunków ruchu miejskiego.

Związane jest to przede wszystkim z zagadnieniami obejmującymi zużycie paliwa,

emisję gazów wylotowych i hałasu. Dominującą większość układów napędowych

stanowią rozwiązania konwencjonalne z silnikami typu ZS. Jednak nieustannie

zwiększa się liczba autobusów wykorzystujących do zasilania sprężony gaz ziemny

oraz konstrukcje hybrydowe, które umożliwiają uzyskanie znacznych sprawności

w eksploatacji miejskiej.

Przedstawiony ogólny przegląd rozwiązań autobusów sugeruje, jak daleko

prowadzone są działania przez producentów mające na celu ochronę środowiska.

Uwzględniając fakt wykorzystania nowoczesnych silników spalinowych, emisja

zanieczyszczeń powinna być bardzo mała. Z uwagi jednak na specyficzne warunki

użytkowania tych jednostek spalinowych, wymuszone eksploatacją w ruchu miejskim,

emisja danego obiektu może być znacząco inna niż w warunkach testów

homologacyjnych, szczególnie dynamicznego. Temat ten stanowi główny nurt

niniejszej pracy i jest niezmiernie ważny z punktu widzenia dokładności

odzwierciedlenia warunków ruchu autobusów miejskich. Należy zaznaczyć, że wpisuje

się on w trend aktualnych badań czołowych ośrodków badawczo rozwojowych na

świecie [5, 62, 82, 88].

19

2. Cel i zakres pracy

Emisja zanieczyszczeń z pojazdów ma istotny wpływ na środowisko naturalne oraz

zdrowie ludzi. Problem ten jest szczególnie ważny w aglomeracjach miejskich, gdzie

znaczna ich liczba oddziałuje bezpośrednio na duże skupiska mieszkańców. Jednym

z wielu przykładów w tym zakresie, jest odnoszący się do badań wielu ośrodków

naukowych raport WHO z 2012 r. [78]. Informuje on, że gazy wylotowe z silników

typu ZS są poważną przyczyną chorób nowotworowych. Ze względu na rozwój wiedzy

w zakresie ekologii, a także wieloletnie prace obejmujące ocenę wpływu

zanieczyszczeń na organizmy żywe, coraz częściej w centrach miast wprowadzane są

ograniczenia ruchu dla samochodów z silnikami spalinowymi. Dotyczą one standardów,

jakie muszą one spełniać w zakresie norm toksyczności lub też wprowadzają całkowity

zakaz poruszania się tych pojazdów. Również w Polsce planowane jest wprowadzenie

tego typu obostrzeń w najbliższych latach. Czynniki te powodują, że bardzo istotna

staje się komunikacja publiczna. Władze miast zachęcają do korzystania z niej,

a ponadto stanowi ona często najekonomiczniejsze rozwiązanie.

Autobusy miejskie są kwalifikowane do grupy pojazdów ciężkich, jednak specyfika

ich konstrukcji oraz warunki eksploatacji są inne niż w pozostałych rozwiązaniach tej

kategorii. Ze względu na wielkość ich populacji, potrzebne staje poznanie wpływu

stosowanych w nich układów napędowych na środowisko naturalne. W ostatnich latach

podjęto problem oceny ekologiczności pojazdów w warunkach drogowych oraz ściśle

związaną z tym analizę warunków pracy ich silników spalinowych/układów

napędowych. Autor rozprawy uczestniczył w wielu pracach obejmujących tą tematykę,

czego efektem są publikacje dotyczące omawianego zagadnienia [38, 50, 51, 59, 73].

Należy jednak zwrócić uwagę, że tego typu pomiary są w początkowym stadium

wdrażania i ewoluują ze względu na uzupełnianie zapisów w procedurach badawczych

i rozwój aparatury. Zasadniczą problematykę niniejszej rozprawy stanowi emisja

zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach eksploatacji wraz z poznaniem parametrów

pracy układów napędowych. Uzupełnienie stanowią rozważania dotyczące procedur

homologacyjnych pojazdów ciężkich. Na tej podstawie sformułowano cel pracy:

Celem rozprawy jest określenie wpływu zastosowanych układów

napędowych i parametrów ruchu autobusów miejskich na emisję

związków szkodliwych oraz wskazanie różnic między procedurami

homologacyjnymi a rzeczywistą eksploatacją, w aspekcie charakterystyki

pracy silników spalinowych rozważanej grupy pojazdów.

Główne problemy badawcze obejmują zagadnienia dotyczące:

wpływu rzeczywistej eksploatacji autobusów miejskich wyposażonych w różne

układy napędowe na parametry pracy ich silników spalinowych,

zależności między warunkami eksploatacji tej grupy pojazdów, a emisją

związków szkodliwych,

różnic parametrów pracy silników spalinowych w dynamicznych testach

homologacyjnych pojazdów ciężkich (dla Euro V i VI) i warunkach rzeczywistej

eksploatacji autobusów miejskich.

20

Na podstawie celu pracy i zdefiniowanych głównych problemów badawczych,

a także doświadczeniu własnym autora, sformułowano następujące tezy pracy:

Teza I: Na podstawie badań emisji gazów wylotowych autobusów

miejskich w rzeczywistych warunkach eksploatacji, możliwe

jest wskazanie najkorzystniejszego rozwiązania układu

napędowego w aspekcie oddziaływania na środowisko przy

wykorzystaniu ekologicznych wskaźników pracy.

Teza II: Dynamiczne hamowniane testy homologacyjne obowiązujące

dla grupy pojazdów ciężkich w normach Euro V i Euro VI,

mogą być mało przydatne przy prawidłowej ocenie emisji

zanieczyszczeń, ze względu na specyficzny charakter

eksploatacji autobusów miejskich.

Uwzględniając tendencje rozwoju pojazdów komunikacji publicznej, do badań

wybrano pojazdy o tej samej długości osiemnastu metrów, przeznaczone do eksploatacji

na trasach charakteryzujących się znacznym obciążeniem, wyposażone w różne typy

układów napędowych. Rozważania przedstawione w pracy dotyczą napędów:

konwencjonalnego, hybrydowego o konfiguracji szeregowej (obydwa wyposażone

w silniki ZS), a także pojazdu zasilanego sprężonym gazem ziemnym CNG z silnikiem

spalinowym ZI. Do badań wykorzystano nowoczesną mobilną aparaturę z grupy PEMS,

służącą do pomiaru stężenia szkodliwych składników gazów wylotowych, w tym

również cząstek stałych. Jej zastosowanie umożliwiło wykonanie prac w różnych

warunkach eksploatacji, a także akwizycję niezbędnych danych z pokładowych

systemów diagnostycznych. Zakres działań obejmował realizację pomiarów w trzech

znormalizowanych testach SORT (Standarised On-Road Tests), na czterech specjalnie

opracowanych trasach badawczych, a także na linii obsługiwanej przez przewoźnika

miejskiego według określonego programu badań.

Podczas analizy wyników badań wykonano porównania obejmujące emisję drogową

i jednostkową związków szkodliwych oraz parametry pracy silników spalinowych

w określonych warunkach eksploatacji rozpatrywanej grupy pojazdów. Obejmują one

m.in. charakterystyki udziałów czasu pracy i natężenia emisji zanieczyszczeń

z wykorzystaniem autorskich założeń, specjalnie opracowanych dla autobusów

miejskich. Określono całkowite wartości energii potrzebne do pokonania

poszczególnych tras przez obiekty badawcze. Obliczono i porównano drogową

i jednostkową emisję szkodliwych składników gazów wylotowych. Przedstawiono

parametry pracy silników spalinowych występujących w europejskich procedurach

homologacyjnych i odniesiono je do pomiarów przeprowadzonych w warunkach

drogowych. Rozważania uzupełniono o wyniki przebiegowego zużycia paliwa

wyznaczonego metodą bilansu węgla oraz współczynniki emisji zanieczyszczeń

zdefiniowane w ujęciu norm EuroV–EEV. Ze względu na wprowadzenie badań

kontrolnych z wykorzystaniem mobilnej aparatury PEMS dokonano oceny wartości

emisji jednostkowej zanieczyszczeń wyznaczonych w aspekcie Regulacji UE 582/2011.

Strukturę pracy przedstawiono na rysunku 2.1.

21

Wprowadzenie

Wnioski i podsumowanie

Obiekty badań

Autobus konwencjonalny

Autobus hybrydowy

Autobus zasilany CNG

Badania emisji spalin w rzeczywistych warunkach eksploatacji

Cel i zakres pracy

Regulacje prawne dotyczące badań

i homologacji autobusów miejskich

Analiza pracy układów napędowych

i parametrów ruchu autobusów

Parametry pracy silników spalinowych

w testach homologacyjnych

Analiza wskaźników ekologicznych

i zużycia paliwa autobusów miejskich

Emisja jednostkowa zanieczyszczeń

wyznaczona w aspekcie Regulacji UE 582/2011

w rzeczywistych warunkach eksploatacji

Metodyka badań własnych:

o Aparatura typu PEMS

o Trasy badawcze

o Metoda wyznaczania charakterystyk udziałów

czasu pracy i natężeń emisji zanieczyszczeń

Rys. 2.1. Struktura pracy

22

3. Regulacje prawne dotyczące badań i homologacji autobusów

miejskich

3.1. Wybrane przepisy obowiązujące w Unii Europejskiej

Polityka Unii Europejskiej dotycząca transportu jest ukierunkowana przede

wszystkim na zapewnienie bezpieczeństwa i komfortu wszystkim użytkownikom dróg

oraz zmniejszenia negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne.

Ponadto koncentruje się na ograniczeniu uzależnienia od ropy naftowej, a także

zwiększaniu konkurencyjności w odniesieniu do przedsiębiorstw z innych regionów

świata [100]. W związku z tym, wprowadzane są rozporządzenia i dyrektywy, służące

realizacji tych celów. Do najważniejszych dokumentów obowiązujących we

Wspólnocie, które dotyczą autobusów miejskich, należą:

Dyrektywa 70/156/EWG z dnia 6 lutego 1970 r. (wraz z jej późniejszymi

zmianami) – dotyczy homologacji pojazdów z silnikami spalinowymi, a także ich

przyczep [31],

Dyrektywa 2001/85/WE z dnia 20 listopada 2001 r. – zawiera informacje

odnoszące się do przepisów obowiązujących dla pojazdów użytkowanych w celu

przewozu pasażerów, wyposażonych w więcej niż osiem miejsc siedzących

(oprócz miejsca przeznaczonego dla kierowcy), zmieniająca Dyrektywy

70/156/EWG oraz 97/27/WE [20],

Dyrektywa 2002/7/WE z dnia 18 lutego 2002 r. – zmienia ona Dyrektywę

96/53/WE, która dotyczy maksymalnych wymiarów pojazdów dopuszczonych

w ruchu krajowym i międzynarodowym oraz maksymalne obciążenia w ruchu

międzynarodowym [21],

Dyrektywa 2005/55/WE z dnia 28 września 2005 r. – opisuje działania, które

należy podjąć, aby zmniejszyć negatywny wpływ silników o zapłonie

samoczynnym (zanieczyszczenia gazowe i cząstki stałe) oraz silników o zapłonie

iskrowym zasilanych gazem ziemnym lub gazem płynnym (zanieczyszczenia

gazowe) stosowanych w pojazdach (ponownie zdefiniowane limity emisji dla

Euro IV i Euro V) [24],

Dyrektywa 2005/78/WE z dnia 14 listopada 2005 r. – odnosi się do wykonania

Dyrektywy 2005/55/WE [27],

Dyrektywa 2006/51/WE z dnia 6 czerwca 2006 r. – uzupełnia Dyrektywy

2005/55/WE oraz 2005/78/WE w zakresie postępu technicznego (wymagania

dotyczące układu monitorowania kontroli emisji spalin) [28],

Dyrektywa 2007/46/WE z dnia 5 września 2007 r. – ustanawia przepisy dotyczące

homologacji pojazdów silnikowych i ich przyczep oraz układów, części, a także

oddzielnych zespołów przeznaczonych do tych pojazdów [25],

Rozporządzenie Komisji UE 582/2011 z dnia 25 maja 2011 r. – zmieniające

Rozporządzenie 595/2009 w zakresie emisji zanieczyszczeń pochodzących

z pojazdów ciężarowych o dużej ładowności (Euro VI) oraz zmieniające

załączniki I i III do Dyrektywy 2007/46/WE [70].

23

Najnowsze przepisy dotyczące pojazdów ciężkich obejmują swoim zakresem

zagadnienia związane z homologacją typu pojazdu, kontrolą emisji zanieczyszczeń oraz

homologacją układów ją ograniczających (przeznaczonych na części zamienne).

Najnowsze przepisy uwzględniają także kontrolę w zakresie zgodności produkcji

(conformity of production) oraz zgodności w eksploatacji (in-service compliance lub

in-service conformity) [58, 70].

Zgodnie z obowiązującym podziałem zdefiniowanym przez UNECE (United Nations

Economic Comission for Europe) autobusy klasyfikowane są do kategorii M, w której

ujęte są pojazdy o napędzie silnikowym mające co najmniej cztery koła i są używane do

przewozu pasażerów [86]. W kategorii tej wyróżnia się trzy podgrupy:

M1 – pojazdy służące do przewozu pasażerów i nie mające więcej niż osiem

siedzeń, oprócz miejsca kierowcy,

M2 – pojazdy przeznaczone do przewozu osób, mające więcej niż osiem siedzeń

poza miejsca kierowcy, których masa maksymalna nie przekracza 5000 kg,

M3 – pojazdy przeznaczone do przewozu osób, mające więcej niż osiem siedzeń

poza miejscem kierowcy, których masa maksymalna przekracza 5000 kg.

Wśród głównych celów Dyrektywy 2001/85/WE należy wymienić zapewnienie

odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa pasażerów podczas podróży oraz

umożliwienie dostępu do wnętrza pojazdu osobom o ograniczonej możliwości

poruszania się przez zastosowanie specjalnych rozwiązań technicznych. W związku

z tym, w dokumencie przedstawiono wytyczne, dotyczące m.in. minimalnej liczby

drzwi i ich rozmiarów, oświetlenia, wyjść ewakuacyjnych, szerokości przejść,

konstrukcji siedzeń, prześwitów itp. [20]. W Dyrwktywie zawarte są informacje na

temat pojazdów o konstrukcji tradycyjnej, niskopodłogowych, dwupokładowych oraz

przegubowych. Ponadto odwołuje się ona do Dyrektywy 70/156/WE i wprowadza

następujący podział pojazdów [31]:

autobusy o liczbie pasażerów mniejszej niż 22:

o Klasa A – pojazdy z miejscami siedzącymi i stojącymi, konstrukcja ma

umożliwiać szybkie przemieszczanie się pasażerów,

o Klasa B – pojazdy wyłącznie z miejscami siedzącymi,

autobusy o liczbie pasażerów równej lub większej niż 22 pasażerów:

o Klasa I – pojazdy z miejscami siedzącymi i stojącymi, konstrukcja ma

umożliwiać szybkie przemieszczanie się pasażerów,

o Klasa II – pojazdy z miejscami siedzącymi i stojącymi w mniejszej ilości

(dotyczy głównie autobusów podmiejskich),

o Klasa III – pojazdy wyłącznie z miejscami siedzącymi.

W Dyrektywie 2005/78/WE zawarto informacje dotyczące głównie kontroli emisji

zanieczyszczeń (składników gazowych i cząstek stałych), czasu eksploatacji pojazdu

oraz urządzeń kontrolnych, układów diagnostyki pokładowej (w odniesieniu do dwóch

stopni monitorowania), wykorzystania ogranicznika momentu obrotowego

(czasowego), a także minimalnego czasu przeglądów [27]. Dyrektywa 2002/7/WE

stanowi uzupełnienie Dyrektywy 96/53/WE i ustala graniczne wymiary autobusów [21]:

autobus przegubowy – długość maksymalna 18,75 m,

24

autobus dwuosiowy – długość maksymalna 13,5 m,

autobus o więcej niż dwu osiach – długość maksymalna 15 m,

autobus + przyczepa – długość maksymalna 18,75 m,

każdy rodzaj autobusu – szerokość maksymalna 2,55 m.

Dodatkowo w przywołanym dokumencie zawarto informacje dotyczące maksymalnych

zajmowanych obszarów przez pojazdy podczas wykonywania manewrów. Dla

autobusów o innych wymiarach konieczne jest uzyskania pozwolenia od właściwego

w tym zakresie organu.

Działania Parlamentu Europejskiego ukierunkowane są na ochronę środowiska,

zwiększenie efektywności energetycznej i oszczędności energii. W komunikacie z dnia

10 stycznia 2007 r. zatytułowanym „Europejska polityka energetyczna”

zaproponowano, że na terenie Unii Europejskiej emisja gazów cieplarnianych będzie

zmniejszona o co najmniej 20% w stosunku do poziomu z 1990 r. [45]. Przedstawiono

także inne cele związane poprawą efektywności energetycznej dotyczącej

wprowadzenia energii odnawialnej (20% udziału w łącznym zużyciu energii i 10%

udziału w transporcie). W związku z tym, wprowadzono m.in. Dyrektywę 2009/33/WE

[29], która dotyczy promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów

transportu drogowego uwzględniając miejski transport pasażerski. Dyrektywy Unii

Europejskiej dotyczą również zagadnień związanych z eksploatacją autobusów

miejskich. Można tutaj wymienić Dyrektywę 2003/59/WE [23] dotyczącą wstępnej

kwalifikacji i okresowego szkolenia kierowców wybranych pojazdów drogowych,

w tym także do przewozu osób. Paliwa stosowane przez operatorów również muszą

spełniać odpowiednie kryteria jakościowe, co przedstawiono m.in. w Dyrektywie

2003/17/WE [22].

Ponadto istnieją inne dokumenty stanowiące uzupełnienie przedstawionych zapisów.

W wybranych miastach lub większych obszarach Unii Europejskiej wprowadzane są

specjalne wymagania dla grupy autobusów miejskich, np. w zakresie ich

ekologiczności. Ze względu na jakość powietrza w aglomeracjach, najczęściej władze

miast wymagają od przewoźników, aby tabor charakteryzował się zmniejszoną emisją

cząstek stałych i tlenków azotu. Związane jest to z obowiązującą Dyrektywą

1999/30/WE [30] dotycząca jakości powietrza otoczenia. Ze względu na wprowadzanie

przez Unię Europejską różnego rodzaju programów i inicjatyw ukierunkowanych na

ochronę środowiska i podjęcie problematyki zrównoważonego rozwoju, opracowano

politykę nazwaną „Green Public Procurement (GPP)” [97]. Ma ona na celu

zdefiniowanie wytycznych, dotyczących ograniczania oddziaływania inwestycji sektora

publicznego na środowisko naturalne, a także wykorzystania procedur zamówień

publicznych do pobudzania innowacji technologicznych i usługowych. W 2011 r.

opublikowano podręcznik: „Ekologiczne zakupy! Podręcznik dotyczący zielonych

zamówień publicznych”, w którym przedstawiono m.in. wytyczne odnoszące się do

transportu miejskiego [44]. Zawarte informacje obejmują realizację usług

przewozowych, a także autobusów, przy czym w warunkach zakupu pojazdów

zdefiniowano kryteria podstawowe (emisja związków szkodliwych i hałasu) oraz

kompleksowe (uwzględniające inne cechy, np. zastosowane oleje oraz środki

smarne, opony itp.).

25

3.2 Homologacja autobusów miejskich w zakresie emisji jednostkowej

zanieczyszczeń

Dla grupy pojazdów ciężkich, ze względu na ich konstrukcje charakteryzujące się

znacznymi rozmiarami oraz generowanymi mocami przez układy napędowe,

homologacja w zakresie emisji jednostkowej spalin wykonywana jest dla samego

silnika spalinowego na stanowiskach hamownianych. Z tego powodu w przepisach

przedstawiane są graniczne wartości emisji jednostkowej w g/(kW·h). Na terenie

Unii Europejskiej obowiązują normy Euro oznaczone numerami od I (wprowadzona w

1992 r.) do VI (obowiązująca obecnie). Dodatkowy standard EEV dla pojazdów

przyjaznych środowisku wprowadzono w 1999 r. Stanowił on uzupełnienie przepisów

od Euro III i obwiązywał do Euro V. Dopuszczalne wartości jednostkowej emisji

zanieczyszczeń oraz sposoby jej wyznaczania przedstawiono w dyrektywach

i rozporządzeniach, z których najważniejsze to:

Euro I – Dyrektywa 88/77/EEC zmieniona przez Dyrektywę 91/542/EEC [14, 32],

Euro II – Dyrektywa 88/77/EEC zmieniona przez Dyrektywy 91/542/EEC oraz

96/1/EEC [14, 18, 32],

Euro III – Dyrektywa 88/77/EEC zmieniona przez Dyrektywy 1999/96/EC oraz

2001/27/EC [16, 17, 32],

Euro IV – Dyrektywa 88/77/EEC zmieniona przez Dyrektywy 1999/96/EC,

2005/55/EC, 2005/78/EC oraz 2006/51/EC [16, 24, 27, 28, 32],

Euro V – Dyrektywa 2005/55/EC i 2005/78/EC zmienione przez Dyrektywy

2006/51/EC oraz 2008/74/EC [24, 26–28],

Euro VI – Rozporządzenie Komisji UE 595/2009 wraz z Rozporządzeniami

Komisji UE 582/2011 oraz UE 64/2012 i zmieniającymi UE 133/2014 w celu

dostosowania do postępu technicznego [69–72].

Dla wszystkich norm Euro konieczne jest wykonywanie badań w ustalonych

punktach pracy w testach statycznych. Graniczne wartości emisji zanieczyszczeń dla

silników ZS zmniejszano wraz z wprowadzaniem kolejnych dyrektyw oraz

rozporządzeń (rys. 3.1). Względne zmniejszenie emisji jednostkowej zanieczyszczeń

poszczególnych składników toksycznych spalin wynosiło odpowiednio: dla CO – 67%,

HC – 88%, NOx – 95% oraz w zakresie masy PM – 98%. Dla zadymienia spalin

obowiązywały limity w normach Euro III–V. Ze względu na rozwój silników

spalinowych, pozasilnikowych układów oczyszczania spalin, konieczne stało się

wprowadzenie wartości granicznych w normie Euro VI dotyczących liczby cząstek

oznaczanych, jako PN (Particle Number).

Wraz z wprowadzeniem normy Euro III zaczęły obowiązywać hamowniane testy

dynamiczne, w których silnik spalinowy badano w zmiennych parametrach pracy,

z uwzględnieniem występowania napędu zewnętrznego. Tak jak w testach statycznych,

wartości graniczne emisji jednostkowej były stopniowo zmniejszane dla kolejnych

norm Euro (rys. 3.2). Względne zmniejszenie emisji jednostkowej CO wyniosło 27%,

NMHC – 79%, CH4 – 69%, NOx – 91%. W zakresie jednostkowej masy cząstek stałych

wymogi wprowadziły największą, 95-procentową redukcję, przy czym konieczne jest

również spełnienie wymogów dla emisji jednostkowej liczby cząstek stałych. Jako

26

1) dla normy Euro VI wprowadzono także limit dla NH3 2) standard obowiązywał dla Euro III–Euro V w teście ESC 3) dla silników o objętości skokowej mniejszej niż 0,75 dm³/cyl. i prędkości obrotowej większej niż 3000 obr/min

Rys. 3.1. Względne zmniejszenie dopuszczalnych wartości emisji jednostkowej zanieczyszczeń związane

z wprowadzaniem kolejnych norm Euro dla testów statycznych [35, 93]

1) dla normy Euro VI wprowadzono także limit dla NH3 2) standard obowiązywał dla Euro III–Euro V w teście ETC 3) dotyczy silników o zapłonie iskrowym, dla silników o zapłonie samoczynnym limit dotyczy emisji jednostkowej HC 4) dla silników o objętości skokowej mniejszej niż 0,75 dm³/cyl. i prędkości obrotowej większej niż 3000 obr/min

Rys. 3.2. Względne zmniejszenie dopuszczalnych wartości emisji jednostkowej zanieczyszczeń związane

z wprowadzaniem kolejnych norm Euro dla testów dynamicznych [35, 93]

–37%

Zad

ym

ien

ie [

%]

–11%

–88%

–95%

–98%

Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI1)

–67% –53%

–12%

–40% –58%

–58%

–37% –56%

–75%

–97% –84%

–79% –75%

–59% –41%

CO

[%

]

100

50

0

100

50

0

100

50

0

100

50

0

HC

[%

] N

Ox [

%]

PM

[%

]

> 8

5 k

W

1992

100

50

0

1996 2000 2005 2013 (31 grudnia)

≤ 8

5 k

W

1998 2008

3)

EEV2)

–67%

–77%

–75%

–97%

–81%

1999–2012

+Limit PN

–91%

–95%

–30%

–60%

–85%

–24%

100

50

0

NO

x [

%]

PM

[%

] +Limit PN

2000 2005 2013 (31 grudnia)

2008

–60%

–90%

1999–2012

4)

–79%

–69%

Euro III Euro IV Euro V Euro VI1)

–27%

–31%

–29%

CO

[%

]

100

50

0

100

50

0

100

50

0 N

MH

C [

%]

CH

4 [

%]

EEV2)

–45%

–49%

–59%

100

50

0

3)

3)

27

uzupełnienie, w obu zestawieniach, porównano także limity emisji spalin obowiązujące

dla pojazdów przyjaznych środowisku (EEV) występujące od Euro III do Euro V.

W tabeli 3.1 zamieszczono dopuszczalne wartości emisji jednostkowej

zanieczyszczeń pojazdów ciężkich obowiązujące dla Euro V, EEV oraz Euro VI.

Tabela 3.1. Limity emisji jednostkowej zanieczyszczeń pojazdów ciężkich Euro V, EEV i Euro VI [93]

Euro V

Rodzaj testu

Silniki ZS

CO THC NOx PM

g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h)

ESC 1,5 0,46 2 0,02

Rodzaj testu

Silniki ZS i ZI

CO NMHC CH4 NOx PM

g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h)

ETC 4 0,55 1,11)

2 0,032)

EEV

Rodzaj testu

Silniki ZS

CO THC NOx PM

g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h)

ESC 1,5 0,25 2 0,02

Rodzaj testu

Silniki ZS i ZI

CO NMHC CH4 NOx PM

g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h)

ETC 3 0,4 0,651)

2 0,022)

Euro VI

Rodzaj testu

Silniki ZS

CO THC NOx NH3 masa PM PM

g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) ppm g/(kW·h) 1/(kW·h)

WHSC 1,5 0,13 0,4 10 0,01 8,0 · 1011

WHTC 4 0,16 0,46 10 0,01 6,0 · 1011

Rodzaj testu

Silniki ZI

CO NMHC CH4 NOx NH3 PM PN

g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) g/(kW·h) ppm g/(kW·h) 1/(kW·h)

WHTC 4 0,16 0,5 0,46 10 0,01 6,0 · 1011

1) Obowiązuje tylko dla silników zasilanych NG 2) Nie obowiązuje dla silników ZI

28

W pierwszych dwóch wymienionych standardach obowiązują także wytyczne

dotyczące zadymienia spalin w testach statycznych, które wynoszą 0,5 m–1

(dla Euro V)

oraz 0,15 m–1

(dla EEV). Należy również zaznaczyć, że obecnie obowiązująca norma

może zostać rozszerzona o osobny limit dla NO2. Dla pojazdów przyjaznych

środowisku wyposażonych w silniki typu ZI nie obowiązuje wartość graniczna

w zakresie masy cząstek stałych.

Zgodnie z normami Euro V i EEV dla pojazdów homologowanych konieczne jest

przeprowadzenie testów: ETC, ESC oraz ELR, które wykonywane są w warunkach

laboratoryjnych. Pierwszy z wymienionych cykli ma na celu odwzorowanie

rzeczywistych warunków eksploatacji jednostki spalinowej przez zastosowanie

zmiennych parametrów pracy (warunków dynamicznych, rys. 3.3). Jego procedura

przewiduje możliwość realizacji pomiarów zarówno na hamowni podwoziowej, jak

i silnikowej – symulowane warunki eksploatacji pojazdu są przekształcane na

parametry pracy jednostki napędowej. Należy jednak zaznaczyć, że do samej

homologacji realizowany jest test tylko w drugim z wymienionych wariantów.

W warunkach pracy silnika występuje obciążenie ujemne, które dotyczy przekazania

momentu obrotowego z zewnątrz (symulacja np. zajazdu ze wzniesienia). Struktura

cyklu jest podzielona na trzy części – jazdę miejską, pozamiejską, a także autostradową.

Czas trwania testu wynosi 1800 s, przy czym udział każdego etapu stanowi 600 s,

gdzie teoretyczne średnie prędkości pojazdu wynoszą odpowiednio: 6,47 m/s, 20 m/s

oraz 24,44 m/s.

Rys. 3.3. Przebieg momentu obrotowego i prędkości obrotowej podczas testu ETC [24]

Na przebiegu testu ETC widoczne są wartości znormalizowanego momentu oraz

prędkości obrotowej, wyrażone jako: nnorm [%] i Mnorm [%]. W celu przeprowadzenia

rzeczywistego testu dla konkretnego silnika spalinowego, konieczne jest wykonanie

denormalizacji zgodnie z procedurą opisaną w Dyrektywie 2005/55/WE [24]. Na

podstawie charakterystyki pełnej mocy określa się: nidle, nlow, nhi oraz npref (rys. 3.4).

Ostatnia z wymienionych składowych stanowi referencyjną prędkość obrotową, przy

której całka momentu obrotowego stanowi 51% całki momentu w przedziale nidle; n95h.

W dalszej kolejności możliwe jest obliczenie konkretnych wartości parametrów pracy

29

a) b)

Ne max

70% Ne max

n

Ne [

%]

100

nidle

Mo [

%]

100

nlow

55% Ne max

95% Ne max

n95h nhi

50

75

25

60

80

nidle n95h

51% 100%

npref n

Rys. 3.4. Wyznacznie parametrów do denormalizacji testów homologacyjnych: a) definiowanie wartości:

nlo, n95h i nhi na charakterystyce pełnej mocy, b) zasada definiowania npref [24]

jednostki spalinowej. Przy wyznaczeniu rzeczywistej prędkości obrotowej wału

korbowego, dla kolejnych kroków testu korzysta się z zapisu:

nrzecz = 0,01 ∙ nnorm ∙ (0,05 ∙ nlo + 0,95 ∙ nhi – nidle) + nidle (3.1)

gdzie: nrzecz – rzeczywista prędkość obrotowa [obr/min],

nnorm – znormalizowana prędkość obrotowa w teście [%],

nlo – najmniejsza prędkość obrotowa, przy której silnik osiąga 55% mocy

maksymalnej Ne max [obr/min],

nhi – największa prędkość obrotowa, przy której silnik osiąga 70% mocy


nidle – prędkość obrotowa silnika na biegu jałowym [obr/min],

n95h – największa prędkość obrotowa, przy której silnik osiąga 95% mocy


Ne max – maksymalna moc użyteczna silnika [kW].

Obliczenia rzeczywistego momentu obrotowego wykonuje się korzystając ze wzoru:

Mrzecz = (Mnorm ∙ Mo max)/100 (3.2)

gdzie: Mrzecz – rzeczywisty moment obrotowy [N·m],

Mnorm – znormalizowany moment obrotowy w teście [%],

Mo max – maksymalny moment obrotowy silnika [N·m].

Znormalizowany test ESC złożony jest z trzynastu faz, gdzie zdefiniowane są

parametry pracy silnika spalinowego – moment obrotowy i prędkość obrotowa

(rys. 3.5). Każda z faz trwa 120 s oprócz pierwszej, dla której czas wynosi 240 s,

natomiast zmiana parametrów pracy między punktami musi nastąpić maksymalnie

w czasie 20 s. Prędkość obrotowa wału korbowego powinna być utrzymywana

z dokładnością ±50 obr/min, a obciążenie jednostki spalinowej ±2%. Wynik pomiaru

stanowi obliczenie średniej ważonej emisji jednostkowej zanieczyszczeń dla całego

30

cyklu z uwzględnieniem współczynników udziału faz w teście. Dodatkowo podczas

homologacji, osoby certyfikujące mogą zażądać wykonania badań w dodatkowych

punktach. Wartości prędkości obrotowej wału korbowego podczas pomiaru ustala się

w następujący sposób:

A = nmin + 0,25 · (nmax – nmin) (3.3)

B = nmin + 0,5 · (nmax – nmin) (3.4)

C = nmin + 0,75 · (nmax – nmin) (3.5)

gdzie: nmin – najmniejsza prędkość obrotowa, przy której silnik osiąga 50% mocy


nmax – największa prędkość obrotowa, przy której silnik osiąga 70% mocy

maksymalnej Ne max [obr/min].

0

25

50

75

100

Bieg jałowy 50 75 100

n [%]

Mo [

%]

9%

15%

5% 5%

10% 5% 5%

5%

8% 8%

5%

2 8 10

4 120

6

10%

5 13 0

3

7 9 11

1

10%

A B C

Rys. 3.5. Przebieg znormalizowanego testu ESC (liczby od 1 do 13 przedstawiają kolejność realizacji faz;

wartości procentowe przy kolejnych fazach wskazują udział wagowy w teście) [24]

Drugi test obejmujący pomiary w warunkach ustalonych, wykorzystywany jest do

oceny zadymienia spalin. Cykl ELR złożony jest z czterech profili, gdzie każdy trwa

70 s (rys. 3.6). W trzech pierwszych silnik spalinowy ma określone punkty pracy –

prędkości obrotowe A, B i C ustala się tak samo jak w teście ESC (zmiany parametrów

pracy mogą trwać maksymalnie 20 s), natomiast obciążenie definiowane jest

naprzemiennie w przedziale wartości obciążenia od 10% (czas pracy 20 ±2 s) do 100%

(czas pracy 10 ±1 s). W ostatnim etapie cyklu badawczego dokonywany jest pomiar

przy parametrach pracy, których wartości nie mogą przekroczyć wartości

zdefiniowanych w poprzednich częściach testu. Są one wyznaczane przez personel

dokonujący certyfikacji silnika. Pobór próbki realizuje się z częstotliwością 20 Hz, przy

czym do obliczenia wyników konieczne jest wykorzystanie algorytmu Bessela

31

(uśrednianie wartości). Ostateczna wielkość zadymienia spalin wyznaczana jest za

pomocą średniej ważonej. Współczynniki wagowe wynoszą dla prędkości obrotowej:

A – 0,43, B – 0,56 oraz C – 0,01.

20 s

10 s

C

B

A n

Mn

orm

[%

]

10

100

t [s]

20 s

Profil 1 Profil 2 Profil 4

70 s

Profil 3

Wybrany

punkt

Rys. 3.6. Przebieg momentu obrotowego i prędkości obrotowej podczas testu ELR [24]

W normie Euro VI, w odniesieniu do poprzednich przepisów, w większym stopniu

zdefiniowano wymagania dotyczące silników o ZI. Tego typu pojazdy do tej pory były

objęte Dyrektywą 70/220/EWG, która przewidywała kontrolę stężenia CO na biegu

jałowym, stężenie HC ze skrzyni korbowej oraz kontroli systemu diagnostycznego.

Najnowsze przepisy nie uwzględniają dodatkowego podziału na normy standardowe

i EEV. Ponadto zwiększono wymagania dla układów diagnostyki pokładowej

w zakresie realizacji procedur monitorowania podczas wystąpienia niesprawności

danego układu lub elementu. Konieczna również stała się kontrola układów redukcji

katalitycznej SCR (jeżeli jest zastosowany w pojeździe) w zakresie jakości i zużycia

reagentu niezbędnego do działania układu.

Według obecnie obowiązujących zasad homolgacji wyróżnia się kilkanaście

rodzajów testów dotyczących pomiarów emisji zanieczyszczeń, które musi przejść

pojazd ciężki podczas homologacji. Najważniejsze z nich to [56, 72]:

pomiar emisji jednostkowej zanieczyszczeń w teście WHSC (tylko silniki ZS),

pomiar emisji jednostkowej zanieczyszczeń w teście WHTC,

pomiar stężenia CO i współczynnika nadmiaru powietrza podczas pracy silnika

spalinowego na biegu jałowym (tylko silniki ZI),

pomiar masy HC ze skrzyni korbowej silnika,

pomiar zużycia paliwa i emisji jednostkowej CO2,

kontrola działania układu diagnostyki pokładowej OBD,

sprawdzenie działania układu odpowiedzialnego za redukcję NOx (wyłącznie

silniki ZS),

sprawdzenie instalacji silnika w pojeździe.

32

Podczas opracowania testu dynamicznego WHTC i statycznego WHSC

uwzględniono wyniki badań drogowych w wybranych państwach UE, Japonii oraz

USA. Miało to na celu zbliżenie hamownianych cykli pomiarowych do warunków

rzeczywistej eksploatacji na świecie. Wcześniej stosowane testy przygotowano tylko na

podstawie warunków europejskich. Szczegółowe dane dotyczące realizacji badań

znajdują się w regulacjach GTR (Global Technical Regulations) nr 4 opracowanym

przez UNECE [87]. W obu testach do pomiaru emisji zanieczyszczeń można

wykorzystać dwie równoważne metody: pobór próbki w sposób ciągły oraz

wykorzystanie układu CVS (Constant Volume Sample). Tak samo, jak w cyklu

dynamicznym obowiązującym w normie Euro V, próby WHTC można realizować na

hamowniach podwoziowych i silnikowych, przy czym w samej homologacji

obowiązuje drugi wariant (rys. 3.7). W teście występują trzy części – jazda miejska,

pozamiejska i autostradowa. Długość próby wynosi 1800 s, przy czym kolejne etapy

trwają odpowiednio 900 s, 481 s oraz 419 s, gdzie teoretyczne średnie prędkości

pojazdu wynoszą odpowiednio: 5,92 m/s, 12,11 m/s i 21,31 m/s.

Rys. 3.7. Przebieg momentu obrotowego i prędkości obrotowej podczas testu WHTC [87]

Znormalizowany cykl WHTC składa się z trzech głównych faz:

I – badań po rozruchu zimnego silnika (temperatury oleju, płynu chłodzącego

i układu ograniczenia emisji zanieczyszczeń są zawarte w przedziale 20–30oC),

II – zatrzymaniu rozgrzanego silnika na czas zdefiniowany w regulacji [87],

III – badań emisji zanieczyszczeń po rozruchu rozgrzanego silnika.

Wynik jednostkowej emisji zanieczyszczeń stanowi średnia ważona pomiarów z faz

pierwszej i trzeciej, obliczany zgodnie z Rozporządzeniem UE 582/2011 [70]:

hot act,cold act,

hotcold

W0,86W0,14

m0,86m0,14e

(3.6)

gdzie: mcold – masa emisji związku szkodliwego przy zimnym rozruchu [g],

mhot – masa emisji związku szkodliwego przy gorącym rozruchu [g],

Wact, cold – rzeczywista praca silnika podczas testu zimnego rozruchu [kW·h],

Wact, hot – rzeczywista praca silnika podczas testu gorącego rozruchu [kW·h].

33

W celu przeprowadzenia badań na konkretnym silniku konieczne jest

przeprowadzenie denormalizacji warunków pracy. Rzeczywiste obciążenie wyznacza

się zgodnie ze wzorem (3.2), a do określenia rzeczywistej prędkości obrotowej wału

korbowego korzysta się z zapisu:

nrzecz = 0,01 ∙ nnorm ∙ (0,45 ∙ nlo + 0,45 ∙ npref + 0,1 ∙ nhi – nidle) ∙ 2,0327 + nidle (3.7)

gdzie kolejne człony równania wyznacza się tak samo jak dla wzoru (3.1).

Test WHSC służy do pomiaru emisji zanieczyszczeń w warunkach ustalonych

i składa się z 13 faz, podobnie jak ESC (rys. 3.8). Główną różnicą między

wymienionymi cyklami polega na zastosowaniu odmiennej prędkości obrotowej wału

korbowego (nowsza norma przewiduje 6 głównych wartości) oraz zastosowaniu innych

współczynników wagowych, wynikających z czasów dla każdego punktu pracy.

Ponadto pomiar na biegu jałowym występuje dwukrotnie. Należy zauważyć, że średnie

wartości n i Mo są mniejsze niż w teście ESC, co oznacza, że silnik jest w mniejszym

stopniu obciążany. Ma to bezpośredni wpływ na natężenie emisji zanieczyszczeń,

których pomiar wykonywany jest przez cały czas trwania cyklu – łącznie z etapami

obejmującymi zamianę parametrów pracy silnika spalinowego, które muszą być

realizowane między poszczególnymi punktami liniowo w czasie 20 ±1 s. Tak więc

w wynikach końcowych ujęte są zmienne warunki pracy (np. przy wykorzystaniu

układu CVS), natomiast w teście statycznym (steady–state) powinny być uwzględnione

jedynie ustabilizowane i niezmienne parametry.

0

25

50

75

100

Bieg jałowy 25 35 45 55 75 100

nnorm [%]

Mn

orm

[%

]

17%/2

10% 8%

2%

2

6 3

1, 13

3%

4

2%

5

3%

7

6%

8 8

5%

9

2%

10

8%

11

10%

12

Faza Czas fazy obejmujący

przerwę [s]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

–

210

50

250

75

50

200

75

150

125

50

200

250

210

Rys. 3.8. Przebieg znormalizowanego testu WHSC (liczby od 1 do 13 przedstawiają kolejność realizacji

faz; wartości procentowe przy kolejnych fazach wskazują ich wagi) [87]

Wartości rzeczywiste prędkości obrotowej i obciążenia oblicza się zgodnie ze

wzorami stosowanymi dla WHTC: wzór (3.2) i wzór (3.7). Końcowa jednostkowa

emisja zanieczyszczeń wyznaczana jest dla całego testu trwającego 1895 s. W tym

czasie uwzględnione są również przerwy o długości 20 s – początek każdej fazy stanowi

34

rozpoczęcie przerwy w poprzedniej fazie, oprócz punktu 1. Silnik przed rozpoczęciem

cyklu musi być rozgrzany. Ostateczny wynik testu ustala się z zależności:

W

me

act

(3.8)

gdzie: m – masa emisji związku szkodliwego [g],

Wact – rzeczywista praca podczas badań [kW·h].

W normach Euro V i Euro VI podane są przebiegi i okresy eksploatacji

odpowiadające normalnemu okresowi życia pojazdu ciężkiego. Zestawione są także

minimalne przebiegi do wykonywania prób trwałościowych w zależności od kategorii

i masy maksymalnej badanego obiektu. Zapisy uzupełnione są danymi dotyczącymi

wyznaczania współczynników pogorszenia (bardziej precyzyjne i jednoznaczne

definicje zamieszczono w normie Euro VI) [58]. Istotne zmiany przepisów nastąpiły

w zakresie kontroli zgodności w eksploatacji – obecnie konieczne jest wykonywanie

pomiarów emisji jednostkowej zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach drogowych,

z użyciem aparatury typu PEMS. Wcześniej badane były jedynie same silniki spalinowe

wymontowywane z używanych pojazdów.

W Rozporządzeniu UE 582/2011 (załącznik II) przedstawiono szczegółowe

wymagania dotyczące określania zgodności w eksploatacji użytkowanych silników lub

pojazdów. Spośród najważniejszych informacji należy wymienić, że pomiary muszą

być realizowane na drogach publicznych UE, z wykorzystaniem normalnych wzorców

jazdy i obciążeń. Oznacza to, że badania są wykonywane dla standardowych

(najczęściej występujących) warunków eksploatacji. Ponadto istotne jest, aby kierowca

posiadał odpowiednie umiejętności i przeszkolenie w zakresie użytkowania pojazdu,

a najlepiej, aby podczas realizacji procedur zaangażowano osobę, która zwykle go

używa. Jeżeli nie da się przeprowadzić testów w warunkach normalnej eksploatacji

możliwe jest zastosowanie innych tras alternatywnych. W sytuacji braku informacji

o reprezentatywnym obciążeniu pojazdu stosuje się ładunek zastępczy zapewniający

uzyskanie 50–60% maksymalnego obciążenia użytkowego.

Po uzyskaniu pierwszej rejestracji kompletnego pojazdu z silnikiem spalinowym,

który pochodzi z homologowanej grupy (rodziny) jednostek napędowych, producent

musi przeprowadzić badania eksploatacyjne w czasie do 18 miesięcy, przy uzyskaniu

przebiegu co najmniej 25 000 km [70]. Zgodnie z [72] pomiary muszą być powtarzane

okresowo, przynajmniej co 24 miesiące w okresie normalnego życia obiektu. Kryteria

odrzucenia i przyjęcia prób w ramach kontroli zgodności ustala się na podstawie liczby

badanych obiektów, zależnej m.in. od wielkości produkcji [70]. Uzupełnienie procedur

stanowi kontrola i badanie próbek zastosowanych olejów smarnych i paliw. Należy

zaznaczyć, że pojazd użyty do pomiarów nie może być nadmiernie wyeksploatowany,

przerabiany czy też niewłaściwie użytkowany.

Trasa badawcza musi obejmować kolejno drogi miejskie (zakres prędkości:

0–13,89 m/s), pozamiejskie (13,89–20,83 m/s) oraz autostradowe (powyżej 20,83 m/s);

dla uzasadnionych przypadków może być dokonana zmiana kolejności. Udziały jazdy

w poszczególnych warunkach uzależnione są od kategorii badanego pojazdu (tab. 3.2).

35

Ustalane są one z dokładnością wynoszącą ±5%, ze względu na trudne do przewidzenia

warunki w ruchu rzeczywistym. Próbkowanie odbywa się w sposób ciągły, przy czym

rozpoczyna się jeszcze przed uruchomieniem silnika. Natomiast ocena danych

realizowana jest od chwili osiągnięcia przez płyn chłodzący temperatury 343 K (70°C)

lub po jej ustabilizowaniu się w zakresie ±2 K w czasie 300 s. Pomiar nie może być

przerywany, a dane nie mogą być łączone i modyfikowane. Oprócz badania natężenia

emisji zanieczyszczeń musi być prowadzona akwizycja danych z pokładowego systemu

diagnostycznego zgodnie z wytycznymi [70]. Bardzo istotne jest, aby na realizowanej

trasie badawczej uzyskać pięciokrotność pracy wykonywanej podczas testu WHTC lub

osiągnąć pięciokrotność masy odniesienia CO2 z tego samego testu.

Tabela 3.2. Udziały warunków jazdy podczas kontroli zgodności w eksploatacji pojazdów ciężkich [70]

Kategoria Udział warunków eksploatacji [%]

miejskie podmiejskie autostradowe

M1, N1 45 25 30

M2, M3 klasy I, II i A 70 30 0

M2, M3 pozostałe 45 25 30

N2 45 25 30

N3 20 25 55

Współczynniki zgodności określa się dla okien pomiarowych wyznaczanych dwoma

metodami: opartej na masie CO2 lub pracy całkowitej układu napędowego. W samym

procesie legislacyjny podczas wydawania decyzji pozytywnej/negatywnej powinno się

wykonywać jedynie drugi wariant. Badania obejmują emisję jednostkową związków

gazowych: CO i THC (dla ZS), NMHC oraz CH4 (dla ZI), a także NOx (dla ZS i ZI).

Obecnie nie uwzględnia się masy i liczby cząstek stałych. Ponadto konieczna jest

realizacja pomiaru masowego natężenia przepływu spalin, parametrów pracy silnika,

prędkości jazdy pojazdu wraz z jego położeniem, natężenia przepływu paliwa,

warunków otoczenia itp. W zarządzeniu [70] zdefiniowano również szczegółowe

informacje o standardach i funkcjach, jakie musi spełniać aparatura pomiarowa, a także

sposobie kalibracji, zerowania i sprawdzania stosowanych przyrządów.

Ocena emisji jednostkowej zanieczyszczeń jest dokonywana z wykorzystaniem

ruchomych okien uśredniania. Ich wyznaczanie polega na określaniu masowego

natężenia emisji związków szkodliwych dla podzbiorów kompletnego zbioru danych,

których długość ustala się w taki sposób, aby odpowiadały masie CO2 z silnika lub

pracy zmierzonej w warunkach nieustalonych na stanowisku hamownianym (test

WHTC). Ruchoma średnia obliczana jest dla przyrostu czasowego Δt, odpowiadającego

okresowi pobierania próbek. Wyznaczone masowe natężenie emisji zanieczyszczeń

wyraża się w mg/okno [10, 70]. W metodzie opartej na pracy, okna uśredniania

wyznacza się z zależności (rys. 3.9):

W(t2,i) – W(t1,i) ≥ Wref (3.9)

gdzie: W(tj,i) – praca silnika zmierzona między uruchomieniem, a czasem tj,i [kW·h],

Wref – praca silnika w teście WHTC [kW·h].

36

Przy obliczaniu wartości t2,i, konieczne jest spełnienie warunku:

W(t2,i – Δt) – W(tl,i) < Wref ≤ W(t2,i) – W(t1,i) (3.10)

gdzie: Δt jest zależne od częstotliwości próbkowania (1 s lub mniej).

Rys. 3.9. Określanie okien pomiarowych w metodzie opartej na pracy odniesienia [70]

Warunkiem uznania okna pomiarowego jako ważnego, jest spełnienie wymogu

osiągnięcia w nim średniej mocy przekraczającej 20% Ne max. W całym teście odsetek

ważnych okien pomiarowych musi wynosić 50% lub więcej. Jeżeli nie uda się tego

osiągnąć, to ocenę danych powtarza się z zastosowaniem mniejszych progów mocy.

Zmniejszanie dokonywane jest w krokach co 1%, maksymalnie do uzyskania poziomu

15% Ne max. Mniejsze wartości unieważniają wyniki pomiarów. Emisję jednostkową

zanieczyszczeń oblicza się dla każdego okna pomiarowego na podstawie:

)W(t)W(t

me

1,i2,i

j

(3.11)

gdzie: ej – emisja jednostkowa zanieczyszczenia j w i-tym oknie

uśredniania [mg/(kW·h)],

m – masa składnika w i-tym oknie uśredniania [mg],

W(t2,i) – W(t1,i) – praca silnika w i-tym oknie uśredniania [kW·h].

Współczynnik zgodności eksploatacji pojazdu w zakresie emisji zanieczyszczeń CF

(Conformity Factor) wyznacza się we wszystkich oknach dla każdego rozpatrywanego

składnika gazów wylotowych zgodnie ze wzorem (3.12). Aby ocena w danym

przedziale uśredniania była pozytywna, wyznaczone współczynniki nie mogą być

większe niż 1,5. Sam pojazd zostaje uznany jako spełniający wymagania, jeżeli 90%

obliczonych wartości CF w teście spełnia to kryterium.

j

j

L

eCF (3.12)

gdzie: CF – współczynnik zgodności w danym oknie uśredniania [–],

Lj – dopuszczalna emisja zanieczyszczenia j w teście WHTC [mg/(kW·h)].

m(t2,i)

m(t1,i)

m

W(t2,i – Δt) – W(t1,i) < Wref

W(t2,i) – W(t1,i) ≥ Wref

W(t1,i) W(t2,i – t) W(t2i) Praca [kW·h]

Ma

sa z

an

iecz

ysz

czen

ia [

g]

37

W metodzie wyznaczania okien uśredniania opartej na pomiarze masy CO2, czas

trwania podzbioru ustala się na podstawie wzoru (rys. 3.9):

mCO2(t2,i) – mCO2(t1,i) ≥ mCO2ref (3.13)

gdzie: mCO2(tj,i) – masa CO2 zmierzona od początku badania, a czasem tj,i, [kg],

mCO2ref – masa CO2 wyznaczona w trakcie trwania testu WHTC [kg].

Natomiast wartość t2,i wybiera się tak, aby:

mCO2(t2,i – Δt) – mCO2(tl,i) < mCO2ref ≤ mCO2(t2,i) – mCO2(t1,i) (3.14)

gdzie: Δt, tak jak w metodzie opartej na pracy, jest zależne od częstotliwości

próbkowania (1 Hz lub mniej).

Rys. 3.9. Określanie okien pomiarowych w metodzie opartej na pomiarze masy CO2 [70]

Kontrola prawidłowości zdefiniowanych okien pomiarowych jest dokonywana przez

wyznaczenie maksymalnego czasu ich trwania Dmax zgodnie z zapisem:

[kW]N0,2

h][kWW 3600[s]D

max e

refmax

(3.15)

Do wyznaczenia współczynników zgodności emisji jednostkowej zanieczyszczeń

w każdym oknie pomiarowym korzysta się z ilorazu współczynników: eksploatacyjnego

CFI i certyfikacyjnego CFC:

C

I

CF

CFCF (3.16)

)(tm )(tm

mCF

i1,COi2,CO

I

22

(3.17)

ref CO

Lj

C

2m

mCF (3.18)

gdzie: mLj – dopuszczalna masa zanieczyszczenia j w teście WHTC [mg].

mCO2(t2,i – t) – mCO

2(t1,i) < mCO

2ref

mCO2(t2,i) – mCO

2 (t1,i) ≥ mCO

2ref

mCO2(t1,i) mCO

2(t2,i – t) mCO

2(t2,i)

Masa CO2 [kg]

Ma

sa z

an

iecz

ysz

czen

ia [

g]

m(t2,i

)

m(t1,i

)

m

38

4. Metodyka badań własnych

4.1. Obiekty badań

Do badań wykorzystano trzy autobusy miejskie o długości osiemnastu metrów,

charakteryzujące się zbliżonymi właściwościami użytkowymi. Takie pojazdy

najczęściej wykorzystywane są na obciążonych liniach komunikacyjnych, gdzie

przewożonych jest dużo pasażerów. Pierwszy obiekt badawczy wyposażony był

w konwencjonalny układ napędowy z silnikiem ZS, drugi w napęd hybrydowy

o konfiguracji szeregowej, natomiast trzeci w jednostkę ZI zasilaną sprężonym gazem

ziemnym (tab. 4.1, rys. 4.1). W pracy oznaczono je kolejno: ON, HYBRYDA i CNG.

Wszystkie autobusy były homologowane, kompletne oraz sprawne technicznie.

Posiadały dwuczłonowe konstrukcje nadwozi i każdy z nich wyposażony był w cztery

pary drzwi. W celu przygotowania pojazdów do badań, zastosowano ładunek zastępczy,

który miał odzwierciedlać obciążenie pasażerów podczas codziennej eksploatacji.

Tab. 4.1. Charakterystyka obiektów badawczych [49]

Parametr Autobus 1:

ON

Autobus 2:

HYBRYDA

Autobus 3:

CNG

Oznaczenie silnika DAF PR265 Cummins

ISB6.7 285H

Cummins

ISLG 320

Typ/paliwo 4-suwowy, ZS/ON 4-suwowy,

ZI/CNG

Objętość skokowa [dm3] 9,2 6,7 8,9


Stopień sprężania 17,5 17,2 12

Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 265/1900 209/2300 239/2000

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]/[obr/min] 1450/1100‒1700 1008/1200‒1800 1356/1300‒1400

Układ oczyszczania splin SCR/DPF TWC


Masa autobusu

z obciążeniem [kg] 24 000

Silnik spalinowy autobusu konwencjonalnego charakteryzował się największą mocą

maksymalną oraz momentem obrotowym. Współpracował on z sześciobiegową

automatyczną skrzynię biegów ZF 6HP594, wyprodukowaną przez ZF Friedrichshafen

AG, która posiadała wbudowany retarder zwiększający skuteczność hamowania. Pojazd

z napędem hybrydowym o konfiguracji szeregowej wyposażony był w jednostkę

spalinową o najmniejszym znamionowym momencie obrotowym i mocy spośród

wszystkich obiektów badawczych. Zastosowany w układzie napędowym silnik o ZS

połączono z prądnicą, zasilającą akumulatory litowo-fosforowe (napięcie 384 V).

W celu uzyskania jak najlepszego bilansu energetycznego, wykorzystano układ

superkondensatorów (napięcie 125 V), współpracujących z systemem hamowania

rekuperacyjnego. Do napędu kół użyto silnika trakcyjnego Kiepe ASM o mocy 240 kW.

39

Ponadto autobus wyposażono w złącze plug-in, umożliwiające doładowywanie

natężeniem prądu do 63 A podczas postoju z sieci zewnętrznej, a także tryb start-stop

(wyłączanie silnika podczas obsługi przystanku).

a)

b) c)

Rys. 4.1. Autobusy miejskie poddane badaniom: a) z napędem konwencjonalnym (ON), b) z napędem

hybrydowym o konfiguracji szeregowej (HYBRYDA), c) zasilany sprężonym gazem ziemnym (CNG)

Autobus hybrydowy może poruszać się wykorzystując wyłącznie energię

elektryczną, m.in. w miejscach o ograniczonym ruchu pojazdów spalinowych, czy też

podczas obsługi przystanków – wjazd i wyjazd z zatoki. Rozwiązania magazynujące

energię umieszczono na dachu, dzięki czemu nie ograniczono miejsca dla pasażerów.

jednak zwiększyło to całkowitą wysokość pojazdu, która wynosi 3500 mm. Należy

również zaznaczyć, że tylko w tym obiekcie wyeliminowano bezpośrednie,

mechaniczne połączenie jednostki spalinowej ze sprężarką powietrza, wentylatorem

chłodnicy, pompą wspomagania układu kierowniczego itp. Osiągnięto to przez

zastosowanie rozwiązań elektrycznych. Jest to korzystne ze względu na warunki pracy

silnika, szczególnie w zakresie małych obciążeń. W pozostałych autobusach

zastosowano rozwiązania konwencjonalne.

W pojeździe zasilanym sprężonym gazem ziemnym zastosowano również

przekładnię automatyczną, o najmniejszej liczbie, czterech przełożeń firmy Voith

GmbH: Voith D864.5. Wykorzystany w jej konstrukcji mechanizm DIWA zastąpił dwa

pierwsze biegi w odniesieniu do tradycyjnych rozwiązań. Na dachu tego obiektu

40

zainstalowano osiem wysokociśnieniowych kompozytowych zbiorników o łącznej

objętości 1712 dm3, które pozwalają przechowywać 420 m

3 sprężonego gazu ziemnego.

Z tego powodu autobus miejski osiągnął całkowitą wysokość 3430 mm, o 580 mm

więcej niż w rozwiązaniu konwencjonalnym. Pozwoliło to jednak zachować taką samą

wielkość przestrzeni pasażerskiej. Pojazdy z silnikami ZS, w zakresie pozasilnikowych

układów oczyszczania spalin, wyposażono w układy selektywnej redukcji katalitycznej

SCR oraz filtry cząstek stałych DPF. W trzecim badanym rozwiązaniu zastosowano

trófunkcyjny reaktor katalityczny TWC z sondą lambda mierzącą zawartość tlenu

w gazach wylotowych, która pełniła funkcję sprzężenia zwrotnego układu oczyszczania.

4.2. Aparatura pomiarowa

Obecne przepisy homologacyjne dla pojazdów ciężkich w zakresie normy Euro VI

oraz zapowiadane propozycje przyszłych procedur badawczych dla tej i innych grup

pojazdów, przewidują wykorzystanie pomiarów w rzeczywistych warunkach

eksploatacji. Jednak tego typu badania wymagają zastosowania zaawansowanej

technicznie aparatury typu PEMS, którą coraz częściej przedstawiają w swojej ofercie

producenci wyspecjalizowani w budowie urządzeń pomiarowych na potrzeby

motoryzacji, m.in. AVL List GmbH, Horiba Ltd. oraz Sensors Inc. [49]. Tego typu

sprzęt może być stosowany w maszynach i pojazdach, które zasilane są różnego rodzaju

paliwami, m.in. benzyną, olejem napędowym, CNG, LPG czy też paliwami

z dodatkami tlenowymi. Jednak często wymaga to użycia specjalnych filtrów lub

urządzeń rozcieńczających gazy wylotowe. Ponadto omawiana aparatura charakteryzuje

się znaczną częstotliwością próbkowania – minimum 1 Hz, przy czym są rozwiązania

pracujące w przedziale do 500 Hz (np.: EFM-HS – High Speed Exhaust Flow Meter).

Ze względu na szybkość zmian parametrów pracy silników w rzeczywistych

warunkach eksploatacji, a także rozwój układów zmniejszających ich negatywny wpływ

na środowisko naturalne, aparatura musi także charakteryzować się znaczną

dokładnością pomiaru. Konieczne jest również rejestrowanie aktualnych warunków

atmosferycznych (ciśnienie, temperatura, wilgotność), ponieważ mają one niewątpliwie

duży wpływ na badane wartości i konieczne jest przeprowadzanie dodatkowych

obliczeń korekcyjnych. W związku z tym, bardzo często w przyrządach zastosowane są

rozwiązania (czujniki i algorytmy), które realizują takie procedury. Dodatkowo

aparatura PEMS musi charakteryzować się małą energochłonnością, masą oraz

gabarytami, a także dużą niezawodnością. W celu wykonania pełnej analizy wpływu

rodzaju układu napędowego i parametrów ruchu autobusów miejskich na ekologiczne

wskaźniki pracy wykorzystano do badań przyrząd SEMTECH DS (pomiar stężenia

składników gazowych, zawartości tlenu w spalinach oraz przepływu gazów

wylotowych), a także AVL MSS (użyty do określenia stężenia PM).

Stężenie gazowych związków szkodliwych spalin mierzono za pomocą mobilnego

przyrządu SEMTECH DS firmy Sensors Inc. (tab. 4.2). Aparatura ta może być

wykorzystywana zarówno dla silników ZS jak i ZI, w szerokim zakresie ich objętości

skokowych i wytwarzanych mocy. Uwzględniając wrażliwość na zanieczyszczenia

poszczególnych analizatorów, możliwe są badania jednostek spełniających wymogi

41

normy co najmniej Euro III. Do układu wylotowego silnika spalinowego przyłączana

jest sonda masowego natężenia przepływu spalin, gdzie dokonywany jest pomiar

temperatury gazów wylotowych. W tym miejscu pobierana jest także ich próbka, która

następnie zostaje przetransportowana do zestawu analizatorów podgrzewanym

przewodem do temperatury 191°C (rys. 4.2). Takie działanie ma na celu

przeciwdziałanie wykraplaniu się węglowodorów, przed wykonaniem pomiaru ich

stężenia. W dalszej kolejności badana objętość gazów wylotowych przechodzi przez

filtry, w celu usunięcia cząstek stałych, zagrażających prawidłowemu działaniu

aparatury pomiarowej.

Tab. 4.2. Dane techniczne przyrządu SEMTECH DS [75]

Parametr Metoda pomiaru Dokładność

Stężenie związków:

CO

HC

NOx = (NO + NO2)

CO2

O2

Częstotliwość

NDIR, zakres 0–10%

FID, zakres 0–10 000 ppm

NDUV, zakres 0–3000 ppm

NDIR, zakres 0–20%

Analizator elektrochemiczny 0–21%

1–4 Hz

±3%

±2,5%

±3%

±3%

±1%

Przepływ spalin masowe natężenie przepływu

Tmax < 700°C

±2,5%

±1%

Czas nagrzewania 25–60 min –

Czas odpowiedzi T90 < 1 s –

Obsługiwane systemy

SAE J1850/SAE J1979

SAE J1708/SAE J1587

CAN SAE J1939/J2284 –

Gazy wzorcowe:

CO

C3H8

NO

NO2

CO2

O2

Kalibracja:

300 ppm

40 ppm

300 ppm

65 ppm

5%

1%

Span:

1300 ppm

150 ppm

1750 ppm

250 ppm

13%

21%

–

Jako pierwszy dokonywany jest pomiar stężenia THC w analizatorze płomieniowo-

-jonizacyjnym FID (Flame Ionization Detector). Dalej gazy są schładzane i określana

jest zawartość NOx (NO + NO2) przy wykorzystaniu metody niedyspersyjnej

z promieniowaniem ultrafioletowym NDUV (Non-Dispersive Ultra Violet). Następnie

wyznacza się stężenia CO i CO2 metodą wykorzystującą promieniowanie podczerwone

NDIR (Non-Dispersive Infra Red). Ostatni etap stanowi wyznaczanie zawartości

O2 przy użyciu czujnika elektrochemicznego. Każdy pomiar rozpoczyna się kalibracją

aparatury, a także zerowaniem powietrzem otoczenia trwającym kilka minut, co

pozwala uwzględnić zanieczyszczenia atmosferyczne. Ze względu na różne

charakterystyki poszczególnych analizatorów, próbki danych pobierane są

z częstotliwością 1 Hz. Ponadto aparatura rejestruje dane z pokładowego systemu

diagnostycznego pojazdu oraz układu pozycjonowania GPS (Global Positioning

System), a także dokonuje pomiaru aktualnych warunków atmosferycznych. Komputer

42

może łączyć się z przyrządem bezprzewodowo lub przy wykorzystaniu sieci

przewodowej LAN (Local Area Network).

Rys. 4.2. Schemat działania przyrządu SEMTECH DS [75]

W badaniach drogowych do wyznaczania stężenia PM wykorzystano analizator AVL

MSS 483 (Micro Soot Sensor) wraz z systemem kondycjonowania (rozcieńczania)

gazów wylotowych (tab. 4.3). Przyrząd pozwala wykonywać pomiary w sposób ciągły

z dużą dokładnością – najmniejsze rejestrowane wartości wynoszą 5 μg/m³. Zasada jego

działania oparta jest na metodzie fotoakustycznej (rys. 4.3). W rezonansowej komorze

pomiarowej badana objętość gazów wylotowych napromieniowywana jest światłem

modulowanym w wyniku czego, zawarta w nich sadza podlega naprzemiennemu

ogrzewaniu i schładzaniu. To wywołuje powstawanie drgań ośrodka, co jest

rejestrowane przez czułe mikrofony jako fala dźwiękowa. Zarejestrowane sygnały są

filtrowane i wzmacniane. Przyrządy pomiarowe montowano we wnętrzu obiektów

badawczych, natomiast sondę masowego przepływu spalin, w zależności od konstrukcji

układu wylotowego, instalowano na dachu lub tylnej szybie autobusu (rys. 4.4).

Ponadto na poszyciu zewnętrznym mocowano układ pozycjonowania wraz z systemem

pomiaru warunków atmosferycznych.

Tab. 4.3. Dane techniczne przyrządu AVL MSS 483 [3]

Parametr Wartość

Rozmiar mierzonych cząstek 0,005–50 mg/m³ (spaliny nierozcieńczone)

Szybkość transmisji danych cyfrowa: do 5 Hz / analogowa: 100 Hz

Warunki pracy 5–43°C; wilgotność: 0–95%

Przepływ próbki spalin 2 + 2 dm3/min (całość ~ 4 dm

3/min)

Interfejsy RS232, Digital I/O, Analog I/O, Ethernet

Temperatura gazów wylotowych do 1000°C

Ciśnienie pośrednie gazów

wylotowych do 2000 mbar

Pulsacje ciśnienia ±1000 mbar (max. 50% ciśnienia wstecznego)

Wielkość przedmuchu 20 dm3/min przy 1000 mbar

Pobór spalin Filtr

Chłodnica 4°C

191°C

CAN

NDIR (CO, CO2)

FID (THC)

NDUV (NO, NO2) O2

GPS Wireless LAN

Jednostka sterująca

43

Rys. 4.3. Schemat działania przyrządu AVL MSS 483 [4]

4.3. Warunki realizacji pomiarów

Badania emisji jednostkowej zanieczyszczeń wykonywane w warunkach drogowych

umożliwiają wyznaczenie faktycznych wskaźników ekologicznych i ekonomicznych

pojazdów. W procesie opracowywania metodyki pomiarów bardzo istotny jest dobór

tras badawczych. Prawidłowe ich zaplanowanie umożliwia wykonanie analiz i obliczeń

stanowiących rzetelną bazę informacji o dynamice ruchu, są przydatne do

projektowania całych pojazdów, napędów konwencjonalnych i hybrydowych. Mogą

być również wykorzystywane podczas prac związanych z planowaniem linii

komunikacyjnych przez przewoźników itp. W ruchu miejskim na warunki eksploatacji

ma wpływ wiele czynników (m.in. kongestie, organizacja ruchu, sygnalizacja świetlna),

w związku z tym charakteryzuje się on dużą różnorodnością oraz przypadkowością.

Podjęty w dysertacji problem oceny wpływu warunków pracy autobusów i ich układów

napędowych na wskaźniki ekologiczne wymaga realizacji prac w testach badawczych,

które zapewnią możliwość porównywania otrzymanych wyników, a także, w jak

najwierniejszy sposób odzwierciedlą rzeczywistą eksploatację rozpatrywanej grupy

pojazdów komunikacji zbiorowej.

Kondycjonowana

próbka gazów Modulowane

światło laserowe

Wzmocnienie

i rejestracja sygnału Czuły mikrofon

Naświetlona

próbka gazów

a)

b)

c)

Rys. 4.4. Widok mobilnej aparatury PEMS

podczas badań drogowych autobusu: a) AVL

MSS 483, b) SEMTECH DS, c) masowy

przepływomierz gazów wylotowych

44

Ze względu na rozwój możliwości aparatury pomiarowej, coraz częściej

wykonywane są badania pojazdów w warunkach drogowych. W celu uzyskania ich

powtarzalności, opracowano procedury pomiarowe w postaci standaryzowanych testów,

służących m.in. ocenie emisyjności lub energochłonności (np. przez wyznaczenie

przebiegowego zużycia paliwa). W rzeczywistej eksploatacji realizowany profil

prędkości zależy m.in. od otoczenia, infrastruktury drogowej, obecności innych

użytkowników. Charakteryzuje się on nieregularnością i obejmuje odcinki jazdy ze stałą

prędkością, rozpędzanie, hamowanie oraz postój. Wymienione fazy różnią się miedzy

sobą czasem trwania, zakresem oraz intensywnością. Zgodnie z wytycznymi zawartymi

w pracy [91] zapis ruchu pojazdu określony testem jezdnym może być przedstawiony

w formie zmian prędkość V = f(t), mocy Ne = f(t) lub momentu obrotowego Mo = f(t)

w czasie. Tylko pierwsza z wymienionych funkcji może być uniwersalna, natomiast

pozostałe odnoszą się do konkretnych konstrukcji pojazdów.

Przebiegi prędkości w funkcji czasu można podzielić na [80, 91]:

test statystyczny ruchu pojazdu – wyznaczony statystycznie i odzwierciedlający

warunki eksploatacji w danej aglomeracji,

test rzeczywisty ruchu pojazdu – określony dla konkretnej trasy komunikacyjnej

(pojazd na niej jest eksploatowany cyklicznie),

test prosty ruchu pojazdu – obejmuje ruch przyspieszony, ustalony i opóźniony

(wartości bezwzględne przyspieszenia i opóźnienia są równe),

test reprezentatywny ruchu pojazdu – cykl prosty, którego charakterystyka

określana jest przez uproszczenie profilu uzyskanego w rzeczywistych warunkach

eksploatacji.

Znormalizowanych testów jezdnych, które można wykonywać zarówno

w warunkach drogowych (np. na płycie lotniska) lub hamowniach podwoziowych jest

kilkaset [7, 63, 88]. Reprezentują one bardzo różne warunki eksploatacji: na całych

kontynentach, w krajach, regionach, jak również w pojedynczych aglomeracjach

miejskich. Ponadto są one przygotowywane dla konkretnych grup i rodzajów pojazdów

(np. samochodów osobowych, pojazdów ciężkich, motorowerów, motocykli itd.).

Definiuje się je parametrami, z których najważniejsze to: maksymalna i średnia

prędkość, przyspieszenie dodatnie oraz ujemne, udział czasu pracy na biegu jałowym,

a także pełen rozkład profilu jazdy. W Polsce opracowano takie cykle, jak np.:

Katowicki, Warszawski, czy też Wrocławski [91]. Podczas opracowywania metodyki

badań przyjęto, że wykonane zostaną pomiary emisji zanieczyszczeń autobusów

miejskich w złożonych trapezowych testach znormalizowanych SORT zdefiniowanych

przez UITP (Union Internationale des Transports Publics – Międzynarodową

Organizację Transportu Publicznego) [84, 85].

Znormalizowane testy SORT opracowano w celu zapewnienia powtarzalności

i porównywalności badań autobusów miejskich. W założeniu służą one ocenie

przebiegowego zużycia paliwa, jednak jako rozszerzenie prac w ramach dysertacji,

przeprowadzono również analizy dotyczące jednostkowej oraz drogowej emisji

zanieczyszczeń. W procesie ich tworzenia brało udział wiele czołowych ośrodków,

a także podmiotów z branży transportu publicznego, instytucji badawczo-naukowych,

producentów pojazdów, jak również wybrane przedsiębiorstwa komunikacyjne.

45

Wyróżnione zostały trzy znormalizowane testy odzwierciedlające następujące warunki

eksploatacji w Europie:

SORT 1 (Heavy Urban) – centra dużych aglomeracji miejskich,

SORT 2 (Easy Urban) – typowe warunki miejskie,

SORT 3 (Easy Suburban) – przedmieścia i warunki pozmiejskie.

Testy składają się z przebiegów prędkości, w których występują po trzy profile

podstawowe (rys. 4.5). W każdej z nich pojawia się rozpędzanie (1–2), jazda ze stałą

prędkością (2–3), zwalnianie (3–4) oraz postój (4–5), gdzie uwzględniono warunki

związane z obsługą przystanków oraz zatrzymywaniem się na światłach. Każdy test

został szczegółowo scharakteryzowany, co przedstawiano w tab. 4.4 oraz na rys. 4.6.

Podczas realizacji pomiarów uwzględniono wytyczne zawarte w [85] dotyczące

realizacji przejazdów. Prostoliniowy odcinek badawczy umożliwiał wykonanie pełnych

cykli jezdnych, a jego maksymalne nachylenia nie przekraczały 1,5%. Nawierzchnia

była sucha i dobrej jakości, a testy wykonywano naprzemiennie w obydwu kierunkach,

co pozwoliło wyeliminować ewentualny negatywny wpływ warunków atmosferycznych

Rys. 4.5. Struktura znormalizowanego testu jezdnego SORT [84]

Tab. 4.4. Parametry znormalizowanych testów jezdnych SORT [47]

Parametr Test

SORT 1 SORT 2 SORT 3

Prędkość średnia [m/s]/[km/h] 3,5/12,6 5,17/18,6 7,31/26,3

Udział postoju w teście [%] 39,7 33,4 20,1

Prędkość stała w profilu 1 [m/s]/[km/h]/[m] 5,6/20/100 5,6/20/100 8,3/30/200

Przyspieszenie w profilu 1 [m/s2] 1,03 1,03 0,77





Czas postoju po każdym profilu [s] 20/20/20 20/20/20 20/10/10

Droga pokonywana w teście [m] 520 920 1450

Opóźnienie w profilach prędkości do [m/s2] 0,8 0,8 0,8

46

lub topografii terenu. Pomiary prowadzono w temperaturach otoczenia mieszczących

się w przedziale 0‒30°C, przy wilgotności względnej do 95% i prędkości wiatru nie

przekraczającej 3 m/s (możliwe jest występowanie porywów chwilowych do 8 m/s).

Rys. 4.6. Profile prędkości znormalizowanych testów jezdnych SORT [84]

W celu wykonania dokładnej oceny wpływu parametrów ruchu autobusów miejskich

na ekologiczne wskaźniki pracy, w badaniach opracowano i wykorzystano pięć tras

pomiarowych (rys. 4.7). W ich strukturze konieczne było uwzględnienie różnych

warunków eksploatacji. Na podstawie prędkości średnich i charakteru testów jezdnych

a) b)

Rys. 4.7. Przebieg tras wykorzystanych podczas pomiarów w rzeczywistych warunkach eksploatacji:

a) ▬ trasa badawcza nr 1, ▬ trasa badawcza nr 2, ▬ trasa badawcza nr 3, ▬ linia miejska; b) trasa

badawcza nr 4 (wykonano z wykorzystaniem oprogramowania GPS Visualizer [101])

47

SORT dobrano trasy badawcze nr 1, 2 i 3, które kolejno obejmowały warunki ścisłego

centrum miasta, typowe warunki miejskie oraz pozamiejskie. Ich długości wynosiły

odpowiednio: 6,28 km, 5,36 km, a także 5,02 km. Ponadto przeprowadzono badania na

linii miejskiej, obsługiwanej przez lokalnego operatora komunikacyjnego,

klasyfikowanej jako jedna z bardziej obciążanych w aspekcie długości i liczby

przewożonych pasażerów. Całkowity jej dystans wynosił 11,2 km i obejmował

dwadzieścia siedem przystanków wraz z pętlami. Przejazd rozpoczynał się w północnej

części miasta (os. Sobieskiego) i wiódł arteriami o różnym natężeniu ruchu do ścisłego

centrum Poznania (Plac Bernardyński).

Jako uzupełnienie prac przeprowadzono badania na trasie badawczej nr 4, gdzie

dokonano oceny emisji zanieczyszczeń w aspekcie Rozporządzenia UE 582/2011.

Opracowana trasa przejazdu uwzględniała warunki pozamiejskie, obejmujące ścisłe

centrum aglomeracji, a także drogi o ograniczeniach prędkości powyżej 50 km/h.

Rozpoczynała się ona w Bolechowie, prowadziła do centrum Poznania i kończyła się

w jego północnej części (os. Sobieskiego) – całkowity dystans stanowił 72,4 km.

Wszystkie zaproponowane trasy cechują się różnymi długościami, natężeniem ruchu,

kongestiami itp. Największa różnica wysokości względnej wyniosła 54 m, natomiast

maksymalne nachylenie nie przekraczało 5,2%. Wymienione czynniki miały

bezpośredni wpływ na wartości prędkości chwilowej i średniej, przyspieszenia oraz

czas postoju badanych pojazdów.

4.4. Program badań

Badania emisji drogowej i jednostkowej zanieczyszczeń oraz parametrów pracy

układów napędowych i pojazdów wykonano w testach jezdnych SORT oraz

w warunkach rzeczywistej eksploatacji (tab. 4.5). Operatorem autobusów był jeden

kierowca z wieloletnim doświadczeniem. Pozwoliło to uzyskać znaczną powtarzalność

przejazdów przez zachowanie takiego samego stylu jazdy oraz zachowań na drodze.

Pomiary w znormalizowanych testach objęły cykle SORT 1, SORT 2, a także SORT 3,

gdzie wykonano po trzy próby. Podczas ich realizacji spełniono założenia

zdefiniowanych metodyką opracowaną przez UITP. Prace poznawcze obejmujące

rzeczywiste warunki eksploatacji prowadzono w robocze dni tygodnia, w godzinach

między 9 a 18. Doboru tras badawczych nr 1, 2 i 3 dokonano przy założeniu, aby były

Tab. 4.5. Program badań autobusów miejskich w warunkach drogowych

Test Liczba prób

SORT 1 3

SORT 2 3

SORT 3 3

Trasa badawcza nr 1 2



Trasa badawcza nr 4 1*

Linia miejska 3 *analizy wyłącznie dla autobusu z napędem hybrydowym

48

one w jak najbardziej zbliżone do testów SORT pod względem charakteru trasy

(warunki miejskie o różnym natężeniu ruchu oraz warunki podmiejskie) i uzyskiwanych

prędkości. W tych cyklach wykonano po trzy próby dla każdego obiektu badawczego.

Pomiary na linii miejskiej wykonywano podczas szczytu komunikacyjnego, gdzie

występowały największe częstotliwości kursów autobusów. W celu wyeliminowanie

ewentualnych błędów, a także uzyskania powtarzalności przejazdów, badania

wszystkich obiektów realizowano przynajmniej w trzech próbach. Uzupełnieniem

podjętych działań była realizacja pomiarów na trasie badawczej nr 4, przy czym dla

celów poznawczych niniejszej dysertacji, przedstawiono analizy wyników odnoszących

się do autobusu z napędem hybrydowym. Rozważania prowadzono w aspekcie

Rozporządzenia UE 582/2011, gdzie dokonano analizy jednostkowej emisji

zanieczyszczeń. We wszystkich pracach badawczych wykorzystano tę samą aparaturę

badawczą należąca do grupy PEMS.

4.5. Metoda wyznaczania charakterystyk udziałów czasu pracy oraz

natężenia emisji jednostkowej i drogowej zanieczyszczeń

Charakterystyki gęstości czasowej TD (Time Density) są od kilkudziesięciu lat

wykorzystywane w pracach konstrukcyjnych oraz optymalizacyjnych samych silników

spalinowych, układów napędowych oraz całych pojazdów [13, 90]. Wykorzystując jej

założenia możliwe jest wyznaczenie natężenia emisji związków szkodliwych oraz

udziałów czasy pracy silnika spalinowego w przedziałach prędkości obrotowej wału

korbowego i obciążenia podczas badań w danym cyklu pomiarowym. Pozwalają one

również przedstawiać charakterystyki przejazdu dla różnych zakresów prędkości,

a także wartości przyspieszenia. Warunki eksploatacji autobusów miejskich są

w pewnym zakresie powtarzalne ze względu na fakt, że pojazdy te poruszają się po tych

samych trasach zgodnie z określonym rozkładem jazdy. W związku z tym,

uwzględniając czas pracy, możliwe jest scharakteryzowanie ruchu przez użycie funkcji

dyskretnej o współrzędnych n i Mo. W tym celu konieczne jest rejestrowanie dwóch

synchronicznych przebiegów w czasie cyklu pomiarowego, np.: wykorzystując system

diagnostyczny pojazdu:

) t(0, tdla (t)MM oraz n(t)n coo (4.1)

gdzie: tc – czas trwania cyklu pomiarowego.

Opracowanie charakterystyki gęstości czasowej wymaga podzielenia pola pracy

silnika we współrzędnych n–Mo (rys. 4.8). W tym kroku korzysta się z zapisów:

N

nnΔn minmax (4.2)

M

MMΔM min omax o

o

(4.3)

gdzie: N i M – liczba elementarnych obszarów na polu pracy silnika spalinowego.

49

Rys. 4.8. Podział obszaru pola pracy silnika spalinowego [13]

Gęstość czasowa dla pojedynczego obszaru o współrzędnych k, p jest definiowana:

c

p)(k,

p)(k,t

tTD (4.4)

gdzie: t(k, p) – czas pracy silnika, w którym n oraz Mo znajdują się w polu ΔLs (k,p).

Dla prawidłowo wyznaczonych charakterystyk muszą być spełnione dwa warunki:

c

N

1k

M

1p

p)(k, tt

(4.5)

1TDN

1k

M

1p

p)(k,

(4.6)

W charakterystyce gęstości czasowej ujęty jest związek właściwości silnika wraz ze

sposobem jego eksploatacji, który ma charakter losowy [13]. Prawdopodobieństwo

wystąpienia parametrów n i Mo w polu ΔLs(k,p) określa zależność:

p)s(k,L

oop)s(k,op)(k, dndMMn,fΔLMn,Pf (4.7)

Zależność między przedstawionym prawdopodobieństwem, a gęstością losowej

realizacji procesu to:

p)(k,p)(k,t

fTDlimc

(4.8)

1 2 3 · · · · N

M

·

·

·

·

ΔLs

3

2

1

Δn

ΔM

o

n

nmin nmax

Mo min

Mo max

k

p

Mo

50

Dla dostatecznie dużych wartości czasu trwania cyklu przyjmuje się:

p)(k,p)(k, fTD (4.9)

W obszarze ΔLs(k,p) charakterystyczną wielkość stanowi jego środek, określony

w dysertacji przez średnią arytmetyczną początku i końca zakresów prędkości oraz

momentu obrotowego. Dla punktów pracy silnika spalinowego występujących podczas

cyklu pomiarowego, można wyznaczyć zbiór różnego rodzaju danych dla

współrzędnych n–Mo. Chodzi tutaj m.in. o natężenie emisji zanieczyszczeń (wyrażone

w różnych jednostkach), zużycie paliwa lub wybrane nastawy. Odniesienie tych

wartości do środka elementarnego pola ΔLs(k,p) umożliwia zbudowanie macierzy. W ten

sposób dla określonego sposobu eksploatacji można obliczyć na przykład całkowitą

emisję jednostkową (e) poszczególnych związków szkodliwych (oznaczonych jako j),

obejmującą cały przeprowadzony cykl badawczy:

N

1k

M

1p

p)j(k,p)(k,cj e TDte (4.10)

Na potrzeby rozprawy przyjęto pewne założenia podczas opracowywania

charakterystyk udziałów czasu pracy i natężenia emisji zanieczyszczeń we

współrzędnych n–Mo. W porównywanych próbach określonego testu pomiarowego

wykorzystywano zawsze taki sam zakres całkowity rozpatrywanej prędkości obrotowej

wału korbowego. Natomiast liczba przedziałów momentu obrotowego była uzależniona

od uzyskiwanych znamionowych wartości przez dany silnik spalinowy, a sam podział

przeprowadzono dla ΔMo = 200 N·m. Ponadto, ze względu na zastosowanie różnych

rozwiązań układów funkcjonalnych w pojazdach, obciążenia wynikające z ich działania

występowały w obszarze p = 1 (do 200 N·m). Przy opracowywaniu charakterystyk we

współrzędnych V–a przyjmowano takie same liczby przedziałów dla prędkości oraz

przyspieszenia pojazdów w danym teście.

Zarówno charakterystyki odnoszące się do parametrów pracy silnika spalinowego,

jak i pojazdu, wykonywane były w przedziałach jednostronnie domkniętych, co nie było

jednoznacznie definiowane we wcześniejszych pracach dotyczących tego zagadnienia.

Dzięki temu uzyskano większą dokładność przeprowadzonych analiz. Ponadto

w rozważaniach obejmujących warunki ruchu pojazdów uwzględniono postój (prędkość

i przyspieszenie równe 0), który jest bardzo istotny ze względu na specyfikę

eksploatacji grupy autobusów miejskich. Było to pomocne podczas oceny

rzeczywistego udziału tego obszaru oraz wartości natężenia emisji zanieczyszczeń

w nim występujących, pomimo niespełnienia równań (4.4) i (4.7). Opisane działania

pozwoliły na dokonanie porównań, wskazanie różnic w otrzymanych zależnościach

oraz przeprowadzenie pełnych analiz wpływu rodzaju zastosowanego układu

napędowego i parametrów ruchu autobusów miejskich na ekologiczne wskaźniki pracy.

51

5. Analiza parametrów ruchu autobusów i pracy układów

napędowych w testach badawczych

5.1. Uwagi dotyczące analizy parametrów ruchu autobusów i pracy

układów napędowych

Przeprowadzenie szczegółowych analiz parametrów ruchu autobusów i pracy ich

układów napędowych jest niezbędne do wykonania dalszych rozważań dotyczących

oceny wskaźników ekologicznych rozpatrywanej grupy pojazdów. Opracowane wyniki

badań odniesiono do pomiarów wykonanych zgodnie z testami drogowymi SORT, na

wybranych trasach badawczych dobranych w taki sposób, aby odzwierciedlały warunki

testów drogowych zdefiniowanych przez UITP oraz na linii miejskiej. Ostatni cykl

badawczy stanowiła trasa miejska, wiodąca głównymi ulicami miasta Poznania,

opracowana w aspekcie Rozporządzenia UE 582/2011 dotyczącego kontroli emisji

jednostkowej zanieczyszczeń pojazdu w eksploatacji. W celu uzyskania przejrzystości

pracy przyjęto pewną konsekwencję w analizie wyników zrealizowanych badań.

W każdym podrozdziale przeprowadzono rozważania dotyczące uzyskanych profili

prędkości w wykonanych przejazdach. Ponadto dla testów SORT określono

współczynniki zgodności w zakresie uzyskiwanych prędkości w próbach między

autobusami. Następnie wyznaczano parametry ruchu pojazdów oraz udziały

poszczególnych przedziałów prędkości i przyspieszenia. Dalszy etap rozważań

stanowiło określenie parametrów, a także udziałów czasu pracy silników spalinowych

badanych obiektów. Dla cykli pomiarowych wyznaczono także chwilowe wartości

mocy generowanej w zależności od przyspieszenia lub przedstawiono sumaryczną

energię wygenerowaną przez obiekty badawcze podczas przejazdu na danej trasie.

W analizie wyników otrzymanych z pomiarów na trasach badawczych nr 1, 2 i 3 oraz

na linii miejskiej odniesiono się do danych uzyskanych w testach drogowych SORT.

Moment obrotowy w testach drogowych odczytywano z pokładowego systemu

diagnostycznego pojazdu. Wyznaczany jest on na podstawie wartości ciśnienia

w układzie zasilania oraz czasu otwarcia wtryskiwacza, co ma istotny wpływ na

otrzymywane dokładności. W testach homologacyjnych konieczne jest uwzględnienie

parametrów netto: mocy i obciążenia, a więc uzyskanych na stanowisku pomiarowym,

na końcu wału korbowego z urządzeniami dodatkowymi. W związku z tym pojawiają

się pewne rozbieżności dotyczące rzeczywistych wartości, ponieważ w odczytach

z pokładowego systemu diagnostycznego uwzględniania się również opory wewnętrzne

silnika. W obliczeniach ujęto ten problem – odejmowano procentowy udział obciążenia

związany m.in. z tarciem, jednak stanowiło to pewne uproszczenie, ponieważ

rzeczywiste opory zależą od wielu czynników. Z reguły nie są one liniowe i zmieniają

się w zależności od aktualnych parametrów pracy jednostki spalinowej [15].

5.2. Znormalizowany test drogowy SORT 1

Autobusy miejskie wyposażone w różne rozwiązania układów napędowych poddano

badaniom w testach drogowych SORT. W celu kontroli powtarzalności wykonanych

52

prób kolejnych obiektów badawczych, dokonano porównania uzyskanych prędkości

uwzględniając ich zgodność w czasie (rys. 5.1). Na podstawie trzech prób każdego testu

drogowego określono współczynniki determinacji. Dodatkowo przedstawiono wzór

otrzymanej zależności liniowej (wszystkie dane przytoczono z dokładnością do trzech

miejsc znaczących). Porównanie prędkości pojazdu konwencjonalnego i hybrydowego

wskazuje, że współczynnik determinacji osiągnął wartości R2 = 0,997–0,999. Zbliżone

wyniki uzyskano również dla zestawienia autobusów oznaczonych ON i HYBRYDA:

R2 = 0,996–0,997, a także obiektu badawczego zasilanego paliwem alternatywnym

z rozwiązaniem hybrydowym: R2 = 0,993–0,997. Uzyskane współczynniki determinacji

świadczą o bardzo dobrym dopasowaniu rozpatrywanych wartości, a więc dużej

powtarzalności przeprowadzonych prób. W związku z tym dalsze analizy wykonano dla

pojedynczych przejazdów z danych testów jezdnych.

a) b)

c)

Dane dotyczące prędkości pojazdów rejestrowano z pokładowych systemów

diagnostycznych zgodnie z protokołem SAE J1939 oraz zweryfikowano je

z informacjami pochodzącymi z systemu pozycjonowania GPS. Przebiegi prędkości

badanych autobusów z wybranych prób potwierdzają uzyskanie powtarzalności

w kolejnych cyklach pomiarowych (rys. 5.2). Świadczą o tym także wartości prędkości

Rys. 5.1. Porównanie prędkości autobusów

miejskich w kolejnych próbach testu drogowego

SORT 1 uwzględniające jej zgodność w czasie:

a) autobus zasilany ON i autobus hybrydowy,

b) autobus zasilany ON i autobus zasilany CNG,

c) autobus zasilany CNG i autobus hybrydowy

53

średnich, które wyniosły odpowiednio dla pojazdu: konwencjonalnego 3,46 m/s,

hybrydowego 3,45 m/s i wykorzystującego do zasilania CNG 3,43 m/s. Założona

prędkość średnia testu drogowego SORT 1 wynosi 3,5 m/s. Największe różnice między

próbami, a założonym profilem przejazdu wystąpiły w zakresie uzyskiwanych stałych

prędkości – związane było to głównie z bezwładnością autobusów i sposobem pracy

kierującego pojazdem.

Rys. 5.2. Przebiegi prędkości autobusów miejskich w wybranych próbach w znormalizowanym teście

drogowym SORT 1 uzupełnione krzywą wzorcową

Jako uzupełnienie analizy dotyczącej ruchu autobusów wyznaczono udziały czasu

pracy w odniesieniu do przedziałów prędkości i przyspieszenia (rys. 5.3). Ze względu

na zbliżony przebieg prędkości w cyklach pomiarowych, przedstawiono jedną

charakterystykę z wybranej próby. Największy udział 35,7% w przejeździe stanowi

postój. Rozkład parametrów pracy obejmuje szeroki zakres wartości prędkości

i przyspieszenia, przy czym największe wartości nie przekraczają 8% – punkt określony

przedziałem (8 m/s; 10 m/s i (0 m/s2; 0,8 m/s

2, występujący w drugim i trzecim profilu

testu. W zakresie prędkości (0 m/s; 10 m/s dla przyspieszenia (0 m/s2; 0,8 m/s

2 udział

wyniósł 25,8%, natomiast dla obszaru (4 m/s; 12 m/s oraz –0,8 m/s2; 0 m/s

2) uzyskano

Rys. 5.3. Udziały czasu pracy autobusów miejskich w przedziałach prędkości i przyspieszenia

w znormalizowanym teście drogowym SORT 1

54

udział czasu pracy o wartości 12,6%. Zarejestrowane przyspieszenie, mniejsze niż

–0,8 m/s2 (założona wartość opóźnień w testach jezdnych tab. 4.4) wynikają z faktu, że

ruch pojazdów nie przebiegał dokładnie po założonej trajektorii testu, w kolejnych

profilach występowały silniejsze hamowania autobusów.

Na podstawie danych rejestrowanych z systemu komunikacyjnego CAN wyznaczono

udziały czasu pracy silników spalinowych w przedziałach momentu obrotowego

i prędkości obrotowej wału korbowego (rys. 5.4). We wszystkich rozpatrywanych

rozwiązaniach największy udział wystąpił w zakresie najmniejsze prędkości obrotowej

600 obr/min; 800 obr/min przy obciążeniach nie przekraczających 200 N·m w teście.

Udziały czasu pracy wyniosły odpowiednio dla pojazdu: konwencjonalnego 47,3%,

hybrydowego 36,8% i zasilanego CNG 47%. Dla autobusu wyposażonego w tradycyjny

napęd, największy obszar pracy, stanowiący 27,3% całkowitego udziału, uzyskano dla

prędkości obrotowej (800 obr/min; 1400 obr/min w przedziale obciążeń do 200 N·m.

Przy prędkości (1000 obr/min; 1400 obr/min w zakresie momentu obrotowego

powyżej 1200 N·m zarejestrowano 14,7%. Zastosowanie napędu hybrydowego

w autobusie i zapewnienie odpowiedniej współpracy głównych jego elementów

z silnikiem spalinowym, pozwoliło uzyskać pole pracy, którego największy udział

40,2% jest opisany wartościami (800 obr/min; 1200 obr/min oraz 0 N·m; 400 N·m.

W innych pojedynczych obszarach największe udziały czasu pracy nie przekraczały

3,9%. Dla autobusu wyposażonego w silnik ZI również największy czas pracy wystąpił

a) b)

c)

Rys. 5.4. Udziały czasu pracy silników obiektów

badawczych w zakresach prędkości obrotowej

i momentu obrotowego w teście drogowym

SORT 1: a) autobus zasilany ON, b) autobus

hybrydowy, c) autobus zasilany CNG

55

w zakresie obciążeń do 400 N·m – dla prędkości obrotowej wału korbowego

(800 obr/min; 1200 obr/min uzyskano 74,8%. W tym rozwiązaniu zarejestrowano 20

przedziałów, przy czym dla obciążeń większych niż 400 N·m ich udział nie przekroczył

2,5%, za wyjątkiem obszaru (1000 obr/min; 1200 obr/min i (1000 N·m; 1200 N·m,

gdzie zarejestrowano wartość udziału czasu pracy wynoszącą 6,6%.

W celu przedstawienia wpływu ruchu badanych pojazdów na parametry pracy

silników spalinowych, zestawiono chwilowe przyspieszenia z generowanymi mocami

(rys. 5.5). Największe wartości zarejestrowano dla autobusu konwencjonalnego –

maksymalnie 216,5 kW przy 0,43 m/s2. Jak wynika z przedstawionej charakterystyki,

dla tego autobusu nie występuje ścisła zależność między rozpatrywanymi parametrami:

powyżej 0,8 m/s2 chwilowe moce silnika nie zwiększają się wraz ze wzrostem wartości

na osi odciętych. Silnik spalinowy pojazdu hybrydowego generował największą moc do

180 kW w zakresie przyspieszenia 0,4–0,7 m/s2. Ponadto dla tego obiektu wystąpiły

dodatnie wartości na osi rzędnych w zakresie ujemnych przyspieszeń, co wynikało ze

współpracy z układem hybrydowym (napęd prądnicy). Dla trzeciego autobusu

widoczna jest tendencja zależności mocy chwilowych od wartości przyspieszenia

pojazdu. Bardzo duży wpływ na przedstawione charakterystyki mają główne elementy

układów napędowych pojazdów, w tym przede wszystkim skrzynie przekładniowe,

elementy przeniesienia napędu, a także rodzaj obiegu w jakim pracują zastosowane

jednostki spalinowe.

Rys. 5.5. Charakterystyka generowanej mocy przez silniki spalinowe w odniesieniu do chwilowej

wartości przyspieszenia badanych autobusów miejskich w teście drogowym SORT 1


Dla wszystkich obiektów badawczych wykonano badania zgodnie z wytycznymi

UITP dotyczącymi testu drogowego SORT 2. Na podstawie zarejestrowanych wartości

prędkości w wybranych próbach danych cykli wyznaczono współczynniki determinacji

uwzględniając zgodność w czasie (rys. 5.6). W analizie uwzględniono po trzy przejazdy

każdego autobusu. Zestawienie wyników pojazdu konwencjonalnego z obiektami

wyposażonym w napęd hybrydowy oraz zasilanego CNG umożliwiło wyznaczenie

współczynników determinacji, odpowiednio, R2 = 0,997–0,999 i R

2 = 0,997–0,998.

56

W odniesieniu do porównania prób autobusu zasilanego paliwem alternatywnym

z pojazdem hybrydowym uzyskano współczynniki R2 = 0,995–0,999. Przedstawione

wyniki potwierdzają prawidłowość przeprowadzonych badań w zakresie uzyskania ich

powtarzalności. Na tej podstawie przyjęto, że do analiz parametrów ruchu autobusów

i pracy układów napędowych w teście drogowym SORT 2 wybrano po jednej próbie

każdego obiektu badawczego.

a) b)

c)

Przebiegi prędkości z wybranych prób porównano z krzywą wzorcową testu SORT 2

i wyznaczono uzyskane wartości średnie (rys. 5.7). Średnia dla profilu teoretycznego

wynosi 5,17 m/s, natomiast uzyskane wartości z rozpatrywanych przejazdów różnią się

od niej maksymalnie o 1%. Dla autobusu konwencjonalnego uzyskano prędkość

5,19 m/s, hybrydowego – 5,18 m/s, a zasilanego CNG – 5,12 m/s. Największe różnice

w przebiegach wystąpiły w zakresie jazdy ze stałą prędkością (nie dotyczy pojazdu

zasilanego CNG) oraz podczas hamowania w drugim i trzecim profilu testu. Uzyskanie

podobnych przebiegów w analizowanych próbach jest korzystne w aspekcie oceny

wpływu ruchu pojazdów na pracę układów napędowych.

W rozpatrywanym teście drogowym największy udział czasu pracy pojazdów

wystąpił podczas postoju i wyniósł 32% (rys. 5.8). Ze względu na różnice uzyskanych

przebiegów prędkości z profilem teoretycznym w czasie hamowania, zarejestrowano







57



większe pole w zakresie przyspieszeń ujemnych –1,6 m/s2; –0,8 m/s

2). Znaczny udział

16,3% wystąpił dla obszaru w przedziale opisanym parametrami (12 m/s; 14 m/s oraz

–0,8 m/s2; 0,8 m/s

2), co wynikało z długiego czasu jazdy ze stałą prędkością w trzecim

profilu testu. W pozostałych miejscach wyznaczone wartości nie przekroczyły 5%. Dla

zakresu (0,8 m/s2; 1,6 m/s

2 wystąpiło największe pole pracy w obszarze dodatnich

wartości przyspieszenia. Dla pierwszego profilu testu jazda ze stałą prędkością

stanowiła 1,2%, która na charakterystyce opisana jest prędkościami (4 m/s; 6 m/s przy

zerowych przyspieszeniach.



Rozkłady czasów pracy dla zakresów prędkości obrotowej i momentu obrotowego

w teście drogowym SORT 2 badanych obiektów, ze względu na założenia testu,

powinny być zbliżone do parametrów odzwierciedlających eksploatację w ścisłym

centrum miasta (rys. 5.9). W autobusie wyposażonym w tradycyjny układ napędowy

udział czasu pracy w przedziale prędkości obrotowej 600 obr/min; 1400 obr/min

i obciążenia do 200 N·m wyniósł 58,2% (w obszarze najmniejszych prędkości uzyskano

41,9%). Dla zakresu (1200 obr/min; 1600 obr/min oraz (1200 N·m; 1600 N·m udział

stanowił 20,7% całkowitego czasu przejazdu. W pojeździe z napędem hybrydowym

58

główne pole pracy wystąpiło przy 600 obr/min; 1200 obr/min i 0 N·m; 600 N·m, dla

którego zarejestrowano udział czasu pracy 67,2%. Przy prędkości obrotowej biegu

jałowego uzyskano wartość tego parametru wynoszącą 32,7%. Istotny udział czasu

pracy wyznaczono także dla obszaru w przedziałach (2000 obr/min; 2200 obr/min

i (600 N·m; 800 N·m, który stanowił 6,2%. Pozostałe zakresy nie przekroczyły

wartości 5%. W odniesieniu do silnika zasilanego paliwem alternatywnym CNG,

w zakresie prędkości obrotowej w okolicy biegu jałowego, uzyskano udział czasu pracy

40%, natomiast przy (800 obr/min; 1400 obr/min dla obciążenia do 600 N·m

wyznaczono 29%. W przedziale (1000 obr/min; 1200 obr/min i (1000 N·m; 1200 N·m

zarejestrowana wartość wyniosła 10%. W odniesieniu do innych nie wymienionych

zakresów uzyskano maksymalnie 4,2% udziału czasu pracy.

a) b)

c)

W teście drogowym SORT 2 silnik autobusu konwencjonalnego generował

największą moc spośród wszystkich badanych obiektów, w odniesieniu do chwilowych

przyspieszeń (rys. 5.10). Dla przedziału 0,3 m/s2; 0,9 m/s

2 wystąpiły wartości powyżej

210 kW. W próbie pojazdu hybrydowego uzyskano zbliżone tendencje rozkładu

punktów w porównaniu z testem SORT 1, przy czym maksymalna moc osiągnęła blisko

150 kW. W zakresie zerowego i ujemnych wartości przyspieszenia uzyskano moc

chwilową do 30 kW, co było związane z doładowywaniem akumulatorów energii.

Obiekt zasilany CNG uzyskiwał chwilowe wartości do 223 kW, jednak największy

udział stanowił przedział mocy 120 kW; 180 kW) w zakresie przyspieszeń dodatnich.






59




Współczynniki determinacji określone na podstawie porównania prędkości

z wybranych prób testu drogowego SORT 3, tak jak w poprzednich przypadkach,

osiągnęły duże wartości (powyżej 0,99) dla wszystkich badanych obiektów (rys. 5.11).

a) b)

c)







60

Zestawienie wyników pojazdu konwencjonalnego i hybrydowego pozwoliło wyznaczyć

współczynniki R2 = 0,998–0,999. Przy porównaniu wartości prędkości autobusu

oznaczonego ON z obiektem zasilanym CNG uzyskano R2 = 0,996–0,998. Dla

ostatniego rozpatrywanego zestawienia współczynniki determinacji osiągnęły wartości

w zakresie R2 = 0,995–0,997. Dla testu odzwierciedlającego podmiejskie warunki

eksploatacji również przyjęto, że analizy dotyczące parametrów ruchu obiektów

badawczych i pracy układów napędowych wykonane zostaną dla pojedynczych prób

z każdego cyklu pomiarowego.

Przebiegi prędkości z wybranych prób porównano z teoretycznym profilem testu

drogowego SORT 3, dla którego prędkość średnia wynosi 7,31 m/s (rys. 5.12).

Największe różnice wystąpiły w trzecim profilu testu podczas rozpędzania pojazdów.

Badane autobusy ze względu na swoje konstrukcje oraz masę, nie mogły utrzymać

dużych wartości przyspieszenia dla prędkości powyżej 12 m/s. To wpłynęło na istotne

skrócenie czasu utrzymania stałej prędkości w rozpatrywanym profilu. Zjawisko to

dotyczy wszystkich obiektów badawczych, co pozwala wykonywać założone analizy

porównawcze. Dla pojazdu konwencjonalnego i hybrydowego uzyskano takie same

prędkości średnie wynoszące 7,29 m/s – profile prędkości są bardzo zbliżone, co

potwierdzają otrzymane współczynniki determinacji. Natomiast autobus wyposażony

w silnik ZI zasilany paliwem alternatywnym CNG uzyskał wartość średnią prędkości

podczas przejazdu wynoszącą 7,26 m/s.



Dla rozpatrywanego testu drogowego udział postoju podczas przejazdu wyniósł

21,2% (rys. 5.13). Pola o największych wartościach udziału czasu pracy wystąpiły

w zakresach (0 m/s2; 0,8 m/s

2 dla prędkości (4 m/s; 16 m/s – 35,7%, a także

–0,8 m/s2; 0 m/s

2) i (12 m/s; 14 m/s – 9,6%. W pozostałych występujących

przedziałach, wartości udziałów nie przekraczały wielkości 3%. Udział czasu pracy,

w którym pojazdy poruszały się ze stałą prędkością stanowił 5,1% testu. W czasie prób

wystąpiły silne redukcje prędkości, większe niż zakłada profil teoretyczny testu

drogowego, które zarejestrowano w drugim i trzecim profilu testu. To spowodowało

wystąpienie przyspieszeń ujemnych obejmujących zakres –2,4 m/s2; –1,6 m/s

2).

61



Udziały czasu pracy w zakresach prędkości obrotowej i momentu obrotowego

wskazują, że silniki badanych pojazdów pracowały w zbliżonych polach pracy

w odniesieniu do wcześniej rozpatrywanych testów drogowych SORT 1 i SORT 2

(rys. 5.14). W próbie pojazdu konwencjonalnego największe wartości udziału czasu

pracy zarejestrowano dla zakresów najmniejszego obciążenia i prędkości obrotowej –

29% oraz dla przedziału prędkości (1000 obr/min; 1400 obr/min i momentu

obrotowego do 800 N·m – 28%, a powyżej 1200 N·m – 24,5%. Dla innych obszarów

największe wartości analizowanego wskaźnika stanowiły 4,5%.

a) b)

c)






62

Podczas badań autobusu hybrydowego udział parametrów pracy w przedziale

najmniejszej prędkości obrotowej przy obciążeniach do 200 N·m stanowił 21,4%

czasu trwania testu badawczego. Na przedstawionym wykresie wystąpiły cztery

pojedyncze przedziały pracy (oprócz biegu jałowego), dla których uzyskano udziały

powyżej 10%, np. przy parametrach pracy (2000 obr/min; 2200 obr/min, a także

(600 N·m; 800 N·m zarejestrowano 11,4%. Wpływ na to miała współpraca z innymi

elementami napędu hybrydowego – co potwierdza wykorzystanie większego pola pracy

charakteryzującego się większą sprawnością jednostki napędowej. Główny zakres pracy

wystąpił dla prędkości obrotowej w obszarze (800 obr/min; 1200 obr/min oraz przy

obciążeniu 0 N·m; 600 N·m i wyniósł 46,8%. W obszarze opisanym przedziałami

(1600 obr/min; 1800 obr/min oraz 800 N·m; 1000 N·m udział czasu pracy stanowił

10%. Inne, nie wymienione wcześniej obszary osiągnęły wartości do 2,4%. Silnik

pojazdu wykorzystującego do napędu CNG uzyskał największe udziały czasu pracy dla

tych samych parametrów, co w teście drogowym SORT 2. W zakresie najmniejszego

obciążenia, przy prędkości obrotowej w okolicy biegu jałowego udział czasu pracy

wyniósł 26,9%, a w przedziale (800 obr/min; 1400 obr/min wyznaczono wartość

25,5%. W zakresie (1000 obr/min; 1200 obr/min oraz (1000 N·m; 1200 N·m uzyskano

17,2% udziału czasu pracy, natomiast dla (1200 obr/min; 1400 obr/min, a także

(1000 N·m; 1400 N·m ukształtował się on na poziomie 11,1%.

Na podstawie przedstawionych charakterystyk wyznaczono moc chwilową

generowaną przez jednostki spalinowe w zależności od przyspieszenia. Maksymalna

moc generowana przez silniki spalinowe badanych obiektów w próbach testu

drogowego SORT 3 wystąpiła dla przedziału 184 kW; 235,5 kW) w zakresie

przyspieszenia (0,07 m/s2; 1,2 m/s

2 (rys. 5.15). Dla największych dodatnich

przyspieszeń nie występowały maksymalne moce chwilowe, co wynikało ze sposobu

współpracy elementów układów napędowych (przekładni) z jednostkami spalinowymi.

W punkcie opisującym ruch ze stałą prędkości największe wartości zarejestrowano dla

autobusu konwencjonalnego 126 kW, natomiast w pojeździe zasilanym sprężonym

gazem ziemnym zarejestrowano 80,3 kW. Odnosząc się do rozwiązania hybrydowego,

w zakresie ujemnych przyspieszeń, zarejestrowano moce chwilowe do 51 kW.



63

5.5. Trasa badawcza nr 1

Zgodnie z harmonogramem badań wykonano pomiary emisji w rzeczywistych

warunkach eksploatacji w ruchu miejskim, w celu poznania ich wpływu na parametry

pracy układów napędowych. Wybrana trasa badawcza nr 1 przebiegła głównymi

ulicami aglomeracji poznańskiej, w ścisłym centrum miasta. Na podstawie

zarejestrowanych danych wyznaczono przebiegi prędkości rozpatrywanego cyklu

pomiarowego (rys. 5.19). Jako uzupełnienie przedstawionych zależności, naniesiono na

wykres linię określającą wartość uśrednionej prędkości testu drogowego SORT 1 –

3,5 m/s. Dla pojazdu zasilanego ON wyposażonego w konwencjonalny układ napędowy

średnia prędkość przejazdu wyniosła 3,83 m/s, natomiast autobus hybrydowy uzyskał

wartość 2,98 m/s. Trzeci obiekt badawczy poruszał się ze średnią prędkością 3,39 m/s.

Osiągnięcie identycznych profili przejazdu jest niemożliwe ze względu na chwilowe

warunki ruchu – w tym kongestie, organizację ruchu, sterowanie sygnalizatorów

świetlnych na skrzyżowaniach itp. Największa różnica uzyskanych wartości średnich

w odniesieniu do testu drogowego wyniosła 14,9% i wystąpiła dla autobusu

z szeregowym napędem hybrydowym.

Rys. 5.19. Przebiegi prędkości autobusów miejskich na trasie badawczej nr 1 z naniesioną średnią

prędkością testu drogowego SORT 1

W cyklu badawczym maksymalne prędkości do 14,6 m/s wystąpiły dla pojazdu

z tradycyjnym układem napędowym (rys. 5.20). Największy udział czasu pracy dla

rozpatrywanego obiektu wystąpił dla postoju i stanowił 22,7%. Udział czasu pracy

w zakresie prędkości (0 m/s; 12 m/s i przedziale przyspieszenia (0 m/s2; 0,8 m/s

2

stanowił 26,7%, a dla parametrów (0 m/s; 8 m/s oraz –0,8 m/s2; 0 m/s

2) sumaryczna

wartość osiągnęła 26%. Ruch z prędkością jednostajną wystąpił dla 5,1% całego

przejazdu. Udział czasu pracy autobus z napędem hybrydowym w przedziale

parametrów opisujących postój to 39,8%, dla zakresu prędkości (0 m/s; 10 m/s

wyznaczono wartość 26,3%, natomiast dla ruchu z przyspieszeniem –0,8 m/s2; 0 m/s

2)

osiągnięto 14,4%. Praca obejmująca jazdę ze stałą prędkością wyniosła 4,5%

całkowitego przejazdu. Dla obiektu badawczego zasilanego CNG postój stanowił

36,7%, a ruch jednostajny 4,1% udziału w pełnym teście badawczym. W przedziałach

64

(0 m/s2; 0,8 m/s

2 i –0,8 m/s

2; 0 m/s

2) przy prędkości z zakresu (0 m/s; 12 m/s

uzyskano odpowiednio 26,4% oraz 16,6% udziału czasu pracy.

a) b)

c)

Jako uzupełnienie analiz warunków ruchu pojazdów dokonano porównania udziałów

czasu pracy autobusów w przedziałach prędkości i przyspieszenia, zarejestrowanych

podczas badań w teście drogowym SORT 1 i trasie badawczej nr 1 (rys. 5.21). Na

charakterystykach przedstawiono różnice między testem SORT (odjemna),

a rzeczywistą eksploatacją (odjemnik). Kolory odpowiadające danemu pojazdowi (szary

– ON, niebieski – HYBRYDA, zielony – CNG) opisują przedziały, które

zarejestrowano w teście drogowym. Wielkość okręgów odnosi się do uzyskanej

różnicy, dla wartości dodatnich są one pełne (kolor niebieski), natomiast w zakresie

ujemnych wyników nie zostały one zamalowane. Pozwoliło to wskazać w jaki sposób

różnią się warunki testu znormalizowanego od badań drogowych.

Dla postoju największe różnice wystąpiły podczas przejazdu autobusem

wyposażonym w konwencjonalny układ napędowy: –13,07%. Istotne rozbieżności

wystąpiły również w zakresie (0 m/s; 10 m/s przy przyspieszeniach z przedziału

–0,8 m/s2; 0 m/s

2), których wartości wynosiły od –4,58% do 7,4%. Ze względu na

charakterystykę testu drogowego, w przejeździe rzeczywistym zarejestrowano więcej

przedziałów opisujących ruch jednostajny – dotyczy to wszystkich badanych pojazdów.

Podczas badań autobusu z napędem hybrydowym uzyskano znacznie mniejsze różnice

wartości udziałów czasu pracy w teście SORT 1 w porównaniu z przejazdem

Rys. 5.20. Udziały czasu pracy autobusów miejskich

w przedziałach prędkości i przyspieszenia

podczas badań na trasie badawczej nr 1: a) autobus

zasilany ON, b) autobus hybrydowy, c) autobus

zasilany CNG

65

a)

b)

c)

Rys. 5.21. Różnica udziałów czasu pracy obiektów badawczych podczas pomiarów na trasie badawczej

nr 1 oraz w teście drogowym SORT 1 w przedziałach prędkości i przyspieszenia: a) autobus zasilany ON,

b) autobus hybrydowy, c) autobus zasilany CNG

66

rzeczywistym. Największa rozbieżność wystąpiła dla przedziału opisującego postój

i wyniosła 4,02%. Najmniejsze różnice udziałów czasu pracy w zakresie postoju

wystąpiły dla trzeciego obiektu badawczego: 0,94%. Autobus zasilany sprężonym

gazem ziemnym podczas pomiarów na trasie badawczej nr 1 pracował przez większą

ilość czasu w obszarze utrzymywania stałych prędkości drugiego profilu

znormalizowanego testu drogowego SORT w przedziale (4 m/s; 6 m/s.

W takcie realizacji badań drogowych w ścisłym centrum miasta największe udziały

czasu pracy silników spalinowych wystąpiły dla obciążeń w zakresie 0 N·m; 200 N·m

(rys. 5.22). Dla pojazdu konwencjonalnego udział czasu pracy wyniósł 65,7%

w przedziale 600 obr/min, 1400 obr/min, dla autobusu hybrydowego 66,5% przy

parametrach 600 obr/min; 1200 obr/min, natomiast trzeci obiekt badawczy w tym

samym obszarze osiągnął 54,8%. W zakresie najmniejszej prędkości obrotowej, udziały

czasu pracy stanowiły odpowiednio: 42,6%, 36,3% oraz 42,1%. Uwzględniając

prędkości 600 obr/min; 1200 obr/min i moment obrotowy (200 N·m; 400 N·m

wyznaczono dla kolejnych cykli pomiarowych: 4,5%; 9,1% oraz 13,9%. Dla

pozostałych pojedynczych zakresów analizowane wartości nie przekroczyły 4,5%.

Przywołane przedziały osiągnęły zbliżone udziały w całych testach, jednak rozkłady pól

pracy różnią się między sobą.

Przedstawione charakterystyki parametrów pracy silników spalinowych odniesiono

do testu drogowego SORT 1 (rys. 5.23).Otrzymane zależności wskazują, że tak jak

w analizie warunków ruchu, największe różnice udziałów czasu pracy wystąpiły dla

a) b)

c)



i momentu obrotowego podczas pomiarów na trasie

badawczej nr 1: a) autobus zasilany ON, b) autobus


67

a)

b)

c)

Rys. 5.23. Różnica udziałów czasu pracy silników spalinowych obiektów badawczych podczas pomiarów

na trasie badawczej nr 1 oraz w teście drogowym SORT 1 w przedziałach prędkości obrotowej

i momentu obrotowego: a) autobus zasilany ON, b) autobus hybrydowy, c) autobus zasilany CNG

68

pojazdu oznaczonego ON. W pojedynczych przedziałach od 800 obr/min do

1400 obr/min w zakresie najmniejszych obciążeń uzyskano odpowiednio –4,74%;

9,51%; –5,67% oraz –6,09%. Należy także zaznaczyć, że występujące pole pracy

w rzeczywistych warunkach ruchu jest dwukrotnie większe, występuje dwa razy więcej

przedziałów niż w teście drogowym SORT. Najmniejsze różnice udziałów czasu pracy

wystąpiły dla drugiego obiektu badawczego, co wynikało przede wszystkim

z zastosowania napędu hybrydowego i odpowiedniej współpracy poszczególnych jego

elementów. Największe obliczone rozbieżności wyniosły 3,54%. Autobus zasilany

CNG w zakresie najmniejszej prędkości obrotowej i momentu obrotowego, a także dla

obszarów 600 obr/min; 800 obr/min, (1000 obr/min; 1200 obr/min dla zakresu

(200 N·m; 400 N·m uzyskał różnice w udziałach czasu pracy wynoszące kolejno

–4,83%, 6,22% i –9,24%. Dla omawianego rozwiązania również zwiększyła się, ponad

dwukrotnie, liczba występujących przedziałów pracy w odniesieniu do testu SORT 1.

Przedstawione przebiegi prędkości i przyspieszenia autobusów wraz z sumaryczną

pracą silników spalinowych podczas badań na trasie badawczej wskazują, że silnik

spalinowy pojazdu zasilanego CNG wygenerował największą energię o wartości

20,2 kW·h (rys. 5.24). Jednostka spalinowa pierwszego obiektu badawczego osiągnęła

zbliżoną wielkość 19,5 kW·h, natomiast drugiego wyposażonego w napęd hybrydowy

16,8 kW·h. Pierwszy i trzeci autobus uzyskały porównywalne wielkości pracy

całkowitej, pomimo osiągnięcia różnych prędkości średnich podczas realizacji cykli

pomiarowych. Jednak na rozpatrywane wartości wpływ miało wiele czynników, m.in.

dobór elementów konstrukcyjnych napędów poszczególnych obiektów, moc

maksymalna silnika, a także chwilowe warunki drogowe. Autobus wyposażony w układ

a) b)

c)

Rys. 5.24. Przebiegi chwilowej prędkości oraz

przyspieszenia autobusów wraz z sumaryczną pracą

silników spalinowych podczas badań na trasie



69

hybrydowy, tak jak w znormalizowanych testach drogowych, generował dodatnią moc

chwilową dla zakresu ujemnych i zerowych wartości przyspieszenia. Miało to

bezpośredni wpływ na krzywą odnoszącą się do wytworzonej energii, która zwiększa

wartości m.in. dla parametrów jazdy przy a = 0 m/s2, co było związane ze współpracą

elementów układu napędowego.


Doboru trasy badawczej nr 2 do realizacji pomiarów drogowych dokonano w taki

sposób, aby w jak największym stopniu uzyskać warunki miejskiej eksploatacji, takie

jak są odzwierciedlane w teście SORT 2. Na podstawie zarejestrowanych przebiegów

prędkości wyznaczono ich średnie wartości, które wyniosły: dla pojazdu oznaczonego

ON – 5,14 m/s, HYBRYDA – 4,8 m/s oraz CNG – 5,59 m/s (rys. 5.25). Uzupełnienie

przedstawionej charakterystyki stanowi prosta określająca prędkość średnią testu

drogowego SORT 2 – 5,19 m/s. Największa różnica między rozpatrywanymi

wartościami wystąpiła między drugim, a trzecim obiektem badawczym. Przyjmując

jako kryterium podobieństwa prędkość średnią, najbardziej zbliżony do warunków testu

drogowego SORT był przejazd autobusu konwencjonalnego, który uzyskał także

największe wartości chwilowe powyżej 16 m/s.



Postój pojazdów charakteryzował się największym udziałem czasu pracy badanych

autobusów miejskich (rys. 5.26). Obiekt z napędem konwencjonalnym zasilany ON

uzyskał wartość 26,8%; hybrydowy 30%, natomiast wykorzystujący do napędu CNG –

20,8%. We wszystkich rozpatrywanych próbach wykonanych na trasie nr 2, istotny był

udział pracy w polu opisanym przedziałem prędkości (0 m/s; 14 m/s i zakresami

przyspieszenia –0,8 m/s2; 0 m/s

2), a także (0 m/s

2; 0,8 m/s

2. Pierwszy pojazd w tych

obszarach osiągnął wartości, odpowiednio, 26,1% i 21% udziału czasu pracy, a autobus

hybrydowy uzyskał 15,9% oraz 32,4%. W odniesieniu do pojazdu z silnikiem ZI

uzyskano wartości 18,3% i 36,6%. Istotne różnice na przedstawionych wykresach

wystąpiły dla pola opisującego ruch jednostajny (przyspieszenia 0 m/s2) w zakresie

70

wszystkich rozpatrywanych prędkości. Najmniejsza wartość udziału ruchu

jednostajnego osiągnął pierwszy rozpatrywany obiekt badawczy i stanowił 1%, dla

drugiego pojazdu uzyskano 6,9%, natomiast dla trzeciego analizowanego autobusu

komunikacji miejskiej zarejestrowano 2,1% odnosząc się do całego testu.

a) b)

c)

W celu porównania udziałów czasu pracy autobusów w przedziałach prędkości

i przyspieszenia wyznaczono różnice między tymi wartościami uzyskanymi na trasie

badawczej nr 2 oraz w teście drogowym SORT 2 (rys. 5. 27). Analiza przedstawionych

wykresów wskazuje, że najbardziej zbliżone udziały czasu pracy uzyskano w próbach

dotyczących pojazdu hybrydowego, gdzie średnia otrzymanych wartości wyniosła

1,2%. Dla przedziałów opisanych parametrami (12 m/s; 14 m/s i –0,8 m/s2; 0 m/s

2,

a także (2 m/s; 4 m/s i (0 m/s2; 0,8 m/s

2 uzyskano największe różnice wynoszące

powyżej 4%. Dla tego autobusu zarejestrowano najmniejsze rozbieżności dotyczące

udziału postoju, które stanowiły –1,34%, natomiast w próbie pomiarowej obejmującej

obiekt badawczy wyposażony w układ napędowy zasilany sprężonym gazem ziemnym,

uzyskano największą różnicę w tym zakresie, stanowiącą –11,25%. W cyklu

odnoszącym się do pierwszego autobusu największe rozbieżności, powyżej 4,1%,

spośród wszystkich występujących przedziałów, osiągnięto dla zakresów prędkości

(2 m/s; 4 m/s oraz przyspieszenia –0,8 m/s2; 0 m/s

2) i ruchu jednostajnego w obszarze

(12 m/s;14 m/s. Trzeci obiekt badawczy zasilany sprężonym gazem ziemnym uzyskał

najmniejsze pole pracy podczas rzeczywistej eksploatacji. W przedziałach prędkości





zasilany CNG

71

a)

b)

c)




72

(6 m/s, 8 m/s i (8 m/s; 10 m/s przy przyspieszeniu (0 m/s2; 0,8 m/s

2 osiągnięto

znaczące różnice wynoszące odpowiednio 4,57% i 4,01%. Największe pole pracy

w odniesieniu do testu drogowego SORT 2 wystąpiło dla autobusu konwencjonalnego.

Silnik spalinowy autobusu konwencjonalnego uzyskał największy udział czasu pracy

w obszarze najmniejszych prędkości obrotowej przy obciążeniu 0 N·m; 200 N·m,

które wyniosło 42,5% (rys. 5.28). Dla pojazdu hybrydowego oraz wykorzystującego do

zasilania paliwo alternatywne zarejestrowano zbliżone wartości 29% i 27% w tym

zakresie. W rozpatrywanym teście pomiarowym na trasie nr 2 osiągnięto podobne

obszary pól pracy, jak na charakterystykach opisujących wyniki badań na trasie

badawczej nr 1. Jednostki spalinowe wszystkich obiektów badawczych pracowały

najczęściej w polu opisanym zakresami parametrów 600 obr/min; 1200 obr/min,

a także 0 N·m; 200 N·m, gdzie uzyskano odpowiednio dla autobusu oznaczonego:

ON – 59,9%, HYBRYDA – 58,5% i CNG – 41,6%. Ostatni obiekt uzyskał także istotny

udział czasu pracy 10,9% przy parametrach (1000 obr/min; 1200 obr/min oraz

(1000 N·m; 1200 N·m, ze względu na przebieg charakterystyki momentu obrotowego

i współpracy elementów układu napędowego. W pozostałych występujących

przedziałach na analizowanych charakterystykach wartości były mniejsze niż 4,9%.

Na podstawie wyznaczonych różnic dotyczących wartości udziałów czasu pracy

silników na trasie badawczej nr 2 oraz w teście SORT 2, wskazano że najbardziej

zbliżone wielkości pól pracy osiągnął autobus hybrydowy (rys. 5.29). Odnosząc

a) b)

c)






73

a)

b)

c)




74

się do jego próby, największą różnicę udziałów czasu pracy zarejestrowano dla

parametrów w przedziałach: 600 obr/min; 800 obr/min i 0 N·m; 200 N·m – wyniosła

ona –3,73%, a także (2000 obr/min; 2200 obr/min oraz (600 N·m; 800 N·m, gdzie

uzyskano –4,84%. Konwencjonalny układ napędowy autobusu podczas badań

w mieście pracował o 7,24% czasu mniej w zakresie (1000 obr/min; 1200 obr/min

i (400 N·m; 600 N·m oraz o 3,69% przy obciążeniu (200 N·m; 400 N·m. W obszarze

najmniejszej prędkości obrotowej dla najmniejszego obciążenia uzyskano większy

udział o 0,6% w teście obejmującym trasę nr 2. W tym punkcie pracy, spośród

wszystkich pojazdów miejskich, największą rozbieżność wynoszącą –13,28% udziału

czasu pracy uzyskał autobus zasilany CNG. Dla obszaru 0 N·m; 200 N·m w kolejnych

dwóch wyznaczonych przedziałach prędkości obrotowej (1000 obr/min; 1200 obr/min,

a także (1200 obr/min; 1400 obr/min uzyskano wartości: –0,1%, oraz 4,43%.

Przedstawione pola pracy wskazują jednoznacznie, że eksploatacja w warunkach

miejskich powoduje występowanie większej liczby przedziałów parametrów pracy

silników spalinowych, niż w znormalizowanych testach drogowych SORT. Największe

pole pracy w analizowanym cyklu uzyskała jednostka spalinowa pierwszego obiektu

badawczego zasilanego ON.

Analiza wykresów, na których przedstawiono sumaryczne prace wygenerowane

przez silniki spalinowe badanych obiektów wskazuje, że tak jak podczas badań na trasie

miejskiej nr 1, największą wartość 15,5 kW·h uzyskał autobus zasilany CNG

(rys. 5.30). Pierwszy pojazd osiągnął zbliżoną wartość 14,9 kW·h, natomiast pracę

wynoszącą 12,8 kW·h zarejestrowano podczas badań autobusu z napędem

hybrydowym. Na przyrost całkowitej energii duży wpływ ma dynamika pojazdów;

a) b)

c)






75

szczególnie widoczne jest to w pierwszym z rozpatrywanych rozwiązań. Przykładowo

w czasie od 482 s do 506 s (przedział zaznaczony czerwoną linią przerywaną) następuje

zmiana prędkości od 0 do 17 m/s, co spowodowało konieczność wygenerowania energii

wynoszącej 1 kW·h. W autobusie zasilanym sprężonym gazem ziemnym widoczne są

takie same tendencje, jednak nie są one tak silne ze względu na inny rodzaj profilu

przejazdu, który charakteryzował się mniejszymi wartościami przyspieszenia.

Najmniejsze przyrosty pracy w zależności od warunków ruchu (szczególnie

przyspieszenia) wystąpiły podczas badań rozwiązania hybrydowego. Wynika to przede

wszystkim z zastosowania silników elektrycznych w układzie napędowym, które

charakteryzują się znacznym momentem obrotowym dla najmniejszych wartości

prędkości obrotowej. Ponadto w pojeździe zastosowano zaawansowany system

zarządzania i dystrybucji energii, która jest wykorzystywana przez niego w efektywny

sposób podczas eksploatacji.


Dla pełnego poznania wpływu warunków eksploatacji na parametry pracy silników

spalinowych rozpatrywanych obiektów badawczych wykonano badania na trasie

badawczej nr 3. Na podstawie otrzymanych przebiegów prędkości obliczono, że

autobus konwencjonalny podczas całego przejazdu uzyskał średnią 7,39 m/s, pojazd

wyposażony w napęd hybrydowy 7,34 m/s, a obiekt wykorzystujący CNG osiągnął

średnią wartość 7,71 m/s (rys. 5.31). Analizowana trasa odzwierciedlała eksploatację

w warunkach podmiejskich, w związku z tym na wykresie przedstawiono również

średnią prędkość znormalizowanego testu drogowego SORT 3, która wynosi 7,31 m/s.

Porównując otrzymane wartości można stwierdzić, że największa różnica między

rozpatrywanymi przejazdami wystąpiła dla autobusu hybrydowego oraz zasilanego

paliwem alternatywnym i osiągnęła 5%.

Największa prędkość średnia wystąpiła dla autobusu zasilanego sprężonym gazem

ziemnym, jednak podczas przejazdu maksymalne prędkości chwilowe, powyżej 16 m/s

osiągnął pojazd konwencjonalny, co także przedstawiono na zależnościach dotyczących



76

udziału czasu pracy pojazdu (rys. 5.32). Dla pierwszego obiektu badawczego postój

stanowił ponad 11% całego przejazdu. Obszary charakteryzujące się istotnymi

wartościami zarejestrowano w zakresie prędkości (0 m/s; 16 m/s oraz przyspieszenia

–0,8 m/s2; 0 m/s

2), a także (0 m/s

2; 0,8 m/s

2, gdzie uzyskano 43,7%

i 42,1% udziału czasu pracy (dla pojedynczych przedziałów tych zakresów wartości

maksymalne osiągnęły do 8%). Wyznaczone pole pracy ma w przybliżeniu

symetryczny rozkład względem obszaru odnoszącego się do postoju i jazdy ze stałą

prędkością, którego sumaryczna wartość stanowiła 1,8% czasu całego przejazdu.

Bardziej zróżnicowany rozkład udziałów na wyznaczonym polu pracy osiągnął

autobus hybrydowy. Szczególnie wyraźny jest obszar opisany parametrami ruchu

pojazdu (0 m/s; 16 m/s i (0 m/s2; 0,8 m/s

2 stanowiący 47,6% czasu przejazdu. Zakresy

dotyczące ujemnych przyspieszeń uzyskały bardziej równomierny rozkład, jedynie

w przedziale (12 m/s; 16 m/s dla –0,8 m/s2; 0 m/s

2) wystąpił większy udział czasu

pracy, którego sumaryczna wartość wyniosła 10,1% w całej próbie. Postój pojazdu

z napędem hybrydowym stanowił 14,9% czasu całego testu, natomiast dla trzeciego

obiektu badawczego wyniósł on jedynie 8,6%. Jest to jedyny z rozpatrywanych

przejazdów na trasie badawczej nr 3, gdzie udział tego przedziału nie stanowi

największej wartości. Oznacza to, że uzyskane profile przejazdu były bardzo zbliżone

do siebie. Maksymalne udziały czasu pracy na trasie badawczej nr 3 wystąpiły

w obszarach (6 m/s; 16 m/s przy przyspieszeniu z zakresu –0,8 m/s2; 0 m/s

2), a także

(0 m/s2; 0,8 m/s

2, gdzie osiągnięto odpowiednio 22,4% i 38,4%. Przedstawione

zależności odniesiono do wyników uzyskanych w teście drogowym SORT 3 (rys. 5.33).

a) b)

c)





zasilany CNG

77

a)

b)

c)




78

Jak wynika z porównania udziałów czasy pracy autobusów na trasie badawczej

nr 3 oraz w teście drogowym SORT 3, znaczące różnice wystąpiły dla obszaru

dotyczącego postoju. W tym przedziale, podczas badań w rzeczywistych warunkach

eksploatacji na trasie nr 3 wszystkie pojazdy uzyskały mniejsze wartości czasu pracy.

Wyznaczone różnice udziałów czasu pracy dla kolejnych obiektów badawczych

wyniosły odpowiednio –10,09%; –6,17% oraz –12,52%. Ponadto autobus miejski

z konwencjonalnym układem napędowym uzyskał największe pole pracy spośród

wszystkich analizowanych w tym cyklu charakterystyk. Dla niego, istotna rozbieżność

6,31% wystąpiła w przedziale (10 m/s; 12 m/s i –0,8 m/s2; 0 m/s

2). W tym samym

zakresie prędkości przy przyspieszeniu –0,8 m/s2; 0 m/s

2) oraz (0 m/s

2; 0,8 m/s

2

uzyskano znaczące wartości podczas przejazdu autobusu hybrydowego, które wyniosły

odpowiednio 5,56% oraz 7,71%.

Trzeci obiekt badawczy charakteryzował się najmniejszym polem pracy, przy czym

w pojedynczych przedziałach obliczone rozbieżności udziałów czasu pracy większe niż

5% występowały częściej, niż we wcześniej rozpatrywanych przypadkach. Dla zakresu

prędkości (10 m/s; 12 m/s i przyspieszenia (–0,8 m/s2; 0 m/s

2 wyznaczono różnicę

5,37%, natomiast dla przedziałów udziału czasu pracy (8 m/s; 10 m/s, (10 m/s; 12 m/s,

a także (10 m/s; 12 m/s w obszarze (0 m/s2; 0,8 m/s

2 uzyskano wartości, odpowiednio,

7,12%, 6,17% oraz 5,41%. Wśród pozostałych niewymienionych zakresów, wszystkich

analizowanych charakterystyk, największe różnice udziałów czasu pracy wynosiły

maksymalnie do 4,37%.

Eksploatacja autobusów w warunkach trasy badawczej nr 3 miała bezpośredni

wpływ na uzyskane zależności udziałów czasu pracy silników spalinowych

w przedziałach prędkości obrotowej i momentu obrotowego (rys. 5.34). Dla pierwszego

obiektu badawczego (autobus oznaczony ON) największy udział czasu pracy silnika

spalinowego 52,1% pracy wystąpił w przedziale prędkości 600 obr/min; 1400 obr/min

i momentu obrotowego 0 N·m; 200 N·m. W zakresie tych samych obciążeń, przy

prędkości wału korbowego do 1200 obr/min uzyskano 43,5-procentowy udział czasu

pracy dla autobusu oznaczonego HYBRYDA, natomiast dla CNG zarejestrowano

42,9%. Tylko pojazd wyposażony w tradycyjny układ napędowy w zakresie prędkości

obrotowej biegu jałowego charakteryzował się udziałem czasu pracy równym 24,3%.

Drugi obiekt badawczy uzyskał w tym obszarze 13,1%, a trzeci 14,8%.

Autobus wyposażony w układ hybrydowy osiągnął istotną wartość czasu pracy

22,5% w zakresach parametrów (800 obr/min; 1200 obr/min i (200 N·m; 600 N·m

odnosząc się do całego przejazdu. Dla obiektu badawczego zasilanego sprężonym

gazem ziemnym przy prędkości obrotowej (1000 obr/min; 1200 obr/min oraz

obciążeniu z obszaru (1000 N·m; 1200 N·m udział czasu pracy osiągnął 11,1%.

Największe pole pracy wystąpiło na charakterystyce opisującej silnik spalinowy

zastosowany w konwencjonalnym układzie napędowym, gdzie zarejestrowano

przedziały powyżej prędkości obrotowej 2000 obr/min, co wynikało przede wszystkim

z uzyskanego profilu przejazdu, a także współpracy jednostki napędowej ze skrzynią

biegów. W pozostałych zakresach, we wszystkich rozpatrywanych próbach na trasie

badawczej nr 3, uzyskano udziały czasu pracy nie większe niż 5,4%.

79

a) b)

c)

Najmniejsze różnice między udziałami zarejestrowanych przedziałów czasu pracy

silników spalinowych dla trasy badawczej nr 3 i testu SORT wystąpiły dla autobusu ON

(rys. 5.35). Średnia otrzymanych wartości bezwzględnych wynosiła 1,47%, przy czym

największe rozbieżności, odpowiednio 7,07% oraz –8,22%, wystąpiły dla zakresów

opisanych parametrami (800 obr/min; 1000 obr/min przy najmniejszych obciążeniach,

a także (1200 obr/min; 1400 obr/min i (1400 N·m; 1600 N·m. Dla tego pojazdu

w obszarze prędkości obrotowej biegu jałowego w badaniach drogowych na trasie

nr 3 wyznaczono mniejszy udział czasu pracy o 4,63% w odniesieniu do testu SORT 3,

natomiast drugi obiekt badawczy w tym zakresie uzyskał mniejszą wartość

rozpatrywanego parametru o 8,3%. Dla autobusu hybrydowego największe różnice

w udziale czasu pracy wystąpiły w zakresach: (1000 obr/min; 1200 obr/min przy

momencie obrotowym mniejszym niż 200 N·m, (1600 obr/min; 1800 obr/min,

(800 N·m; 1000 N·m, a także (2000 obr/min; 2200 obr/min i (600 N·m; 800 N·m –

wyznaczone wartości wyniosły kolejno: 3,8%, –3,86% oraz –9,97%. Średnia różnic

bezwzględnych wyznaczona na podstawie wszystkich występujących pojedynczych

zakresów udziału czasu pracy silnika spalinowego wyniosła 1,75%.

Pojazd zasilany sprężonym gazem ziemnym, podczas porównania rozpatrywanej

trasy badawczej ze znormalizowanym testem drogowym, uzyskał największe różnice

w pojedynczych przedziałach udziału czasu pracy silnika spalinowego. Dla

następujących po sobie obszarów prędkości obrotowej, zaczynając od wartości






80

a)

b)

c)




81

opisujących bieg jałowy do 1200 obr/min, w zakresie obciążenia 0 N·m; 200 N·m

wyznaczono rozbieżności: –10,71%, 5,13% oraz 8,53%. Ponadto dla prędkości

obrotowej z przedziału (1200 obr/min; 1400 obr/min przy największym obciążeniu

uzyskano –8,17%. Średnia wartość uzyskana ze wszystkich różnic bezwzględnych

wynosiła 2,3%. Jednak należy zwrócić uwagę, iż opisywana charakterystyka

przedstawia najbardziej zbliżone wielkości porównywanych pól pracy. Największe

rozbieżności w ich rozmiarach wystąpiły dla pojazdu wyposażonego w konwencjonalny

układ napędowy.

Podczas przeprowadzonych badań na trasie badawczej nr 3, inaczej niż

w poprzednich cyklach pomiarowych, największą wartość energii wygenerował autobus

oznaczony ON, która wyniosła 11,7 kW·h (rys. 5.36). Drugi obiekt badawczy wykonał

pracę 8,9 kW·h, natomiast trzeci – 10,6 kW·h. Należy zauważyć, że dla tych dwóch

autobusów uzyskano bardzo zbliżony profili przejazdu, przy czym w ostatnim cyklu

pomiarowym wystąpiła mniejsza liczba hamowań i związanych z tym mniejsza liczba

przyspieszeń, mających istotny wpływ na generowaną moc chwilową. Pojazd

konwencjonalny uzyskał największe wartości przyspieszeń dodatnich, co niekorzystnie

wpłynęło na wyznaczoną pracę całkowitą. Podczas przejazdu drugiego obiektu

badawczego wystąpił postój trwający około 90 s. W czasie jego trwania widoczny jest

przyrost energii całkowitej, co wynikało nie tylko z konieczności przekazywania

momentu obrotowego do dodatkowych odbiorników pojazdu, ale przede wszystkim

z charakterystyki źródła napędu – moment obrotowy generowany był w celu

doładowywania akumulatorów energii. Dzięki temu wytwarzane były mniejsze moce

podczas zwiększania prędkości autobusu.

a) b)

c)






82

5.8. Linia miejska

Dla pełnego poznania wpływu warunków eksploatacji oraz rodzaju zastosowanego

układu napędowego na parametry pracy silników spalinowych, wykonano badania

autobusów na linii miejskiej. Na podstawie zarejestrowanych danych wyznaczono

profile prędkości przejazdów poszczególnych obiektów badawczych (rys. 5.37).

Uzupełninie wykresów stanowią proste przedstawiające uśrednione prędkości w testach

drogowych SORT 1 oraz SORT 2. Największą prędkość średnią osiągnął autobus

hybrydowy (4,73 m/s), natomiast najmniejszą pojazd zasilany paliwem alternatywnym

CNG (4,16 m/s). W odniesieniu do rozwiązania konwencjonalnego uzyskano średnią

wynoszącą 4,6 m/s. Wszystkie uzyskane wyniki zawierają się w przedziale prędkości

określonym wartościami obowiązującymi dla testu drogowego SORT 1 (3,5 m/s),

a także SORT 2 (5,19 m/s).

Rys. 5.37. Przebiegi prędkości badanych autobusów na linii miejskiej z naniesionymi średnimi

prędkościami testów drogowych SORT 1 i SORT 2

Spośród wszystkich analizowanych udziałów czasu pracy autobusów w przedziałach

prędkości i przyspieszenia na linii miejskiej, najmniejsze wartości prędkości uzyskał

trzeci obiekt badawczy. Dla pojazdu wyposażonego w układ konwencjonalny

zarejestrowano najwięcej przedziałów dotyczących ruchu ze stałą prędkością i ich

udział stanowił sumarycznie 3%, natomiast postój stanowił 22,6% czasu całego

przejazdu (rys. 5.38). Odnosząc się do drugiego obiektu badawczego uzyskano w tych

warunkach 3,1% oraz 28,1%. Trzeci autobus, w wymienionych obszarach, osiągnął

odpowiednio 4,6%, a także 23,2%. Na przedstawionych charakterystykach istotne

udziały w ujęciu całego przejazdu zarejestrowano dla prędkości (0 m/s; 12 m/s

i przyspieszenia w przedziałach –0,8 m/s2; 0 m/s

2) oraz (0 m/s

2; 0,8 m/s

2. Podczas

badań autobusu konwencjonalnego zarejestrowano w tych zakresach 23,5% i 36,8%;

dla rozwiązania hybrydowego 17,5% oraz 36,7%; natomiast dla obiektu zasilanego

sprężonym gazem ziemnym otrzymano 27,3%, a także 34,9% udziału czasu pracy.

Przeprowadzone analizy parametrów ruchu wskazują, że zarejestrowane prędkości

badanych autobusów najbardziej zbliżone były do warunków występujących w teście

drogowym SORT 2 (symulującym warunki miejskie). Różnice prędkości średnich

83

a) b)

c)

wyniosły dla kolejnych obiektów badawczych w odniesieniu do tego cyklu: 11%, 8,5%

oraz 19,5%. W przedziale opisującym postój zarejestrowano mniejsze udziały czasu

pracy podczas badań na linii miejskiej w porównaniu do testu zdefiniowanego przez

UITP (rys. 5.39). Otrzymane różnice wyniosły odpowiednio –9,45%, –3,91% oraz

–8,82%. Dla wszystkich rozpatrywanych autobusów miejskich istotne rozbieżności

udziału czasu pracy wystąpiły w przedziałach prędkości (12 m/s; 14 m/s

i przyspieszenia –0,8 m/s2; 0,8 m/s

2. Średnia ich wartość w tym obszarze dla

pierwszego i drugiego obiektu badawczego osiągnęła –5,2%, natomiast dla trzeciego

autobusu wykorzystującego do zasilania gaz ziemny ukształtowała się na poziomie

–5,4%. Obliczone bezwzględne średnie różnice wyniosły odpowiednio dla kolejnych

pojazdów: 1,5%, 1,3% i 2,1%.

Na podstawie analizy udziałów pracy silników spalinowych można stwierdzić, że

autobusy: konwencjonalny zasilany ON oraz CNG osiągnęły największe wartości 33%

i 32% w obszarze prędkości biegu jałowego dla momentu obrotowego w przedziale

0 N·m; 200 N·m (rys. 5.40). Dla drugiego obiektu badawczego udział ten wyniósł

26,4%. W rozpatrywanej próbie pomiarowej odnotowano także istotną część czasu

pracy przy parametrach (1000 obr/min; 1200 obr/min i 0 N·m; 200 N·m, która

stanowiła 22% całego przejazdu. Dla przedziału znajdującego się między

wymienionymi zakresami wyznaczono udział czasu pracy 10,7%. We wszystkich

obiektach badawczych najbardziej znaczące udziały w podstawowych zakresach

wystąpiły dla prędkości (800 obr/min; 1200 obr/min i obciążenia do 200 N·m

Rys. 5.38. Udziały czasu pracy autobusów

miejskich w przedziałach prędkości i przyspieszenia

podczas badań na linii miejskiej: a) autobus


zasilany CNG

84

a)

b)

c)

Rys. 5.39. Różnica udziałów czasu pracy obiektów badawczych podczas pomiarów na linii miejskiej oraz

w teście drogowym SORT 2 w przedziałach prędkości i przyspieszenia: a) autobus zasilany ON,


85

uwzględniając całą trasę. Sumarycznie dla pierwszego i trzeciego autobusu wyniosły

one odpowiednio: 21,5% oraz 23,4%. W odniesieniu do wszystkich badanych pojazdów

dla kolejnego zakresu momentu obrotowego w obszarze prędkości obrotowej wału

korbowego 600 obr/min; 1200 obr/min wyznaczono udziały czasu pracy: 7%, 10,5%,

a także 17,9%. Dla niewymienionych pojedynczych zakresów rozpatrywane wartości

nie przekraczały 4,2%.

a) b)

c)

Największe pole pracy w teście uzyskał pojazd z napędem konwencjonalnym,

natomiast taka sama liczba przedziałów wystąpiła dla pozostałych dwóch badanych

konstrukcji autobusów. Uzyskane charakterystyki rozpatrywanego cyklu najbardziej

zbliżone są do rozkładów uzyskanych podczas pomiarów na trasie badawczej nr 2.

Uzupełnienie analizy pomiarów wykonanych na linii miejskiej stanowi porównanie oraz

wyznaczenie różnic między udziałami parametrów pracy silników spalinowych

uzyskanych podczas przejazdu rzeczywistego i zarejestrowanych w teście drogowym

SORT 2 (rys. 5.41). Jednostka spalinowa autobusu zasilanego ON w obszarze prędkości

obrotowej biegu jałowego uzyskała o 8,91% mniejszy udział dla przejazdu drogami

aglomeracji poznańskiej. Kolejne istotne różnice wystąpiły w przedziałach prędkości

obrotowej (800 obr/min; 1000 obr/min dla obciążenia 0 N·m; 200 N·m i przy

parametrach (1000 obr/min; 1200 obr/min oraz (400 N·m; 600 N·m, które stanowiły

odpowiednio 7,55%, a także –6,3% udziału czasu pracy. W pozostałych obszarach

obliczone wartości nie przekroczyły 3,79%, z wyłączeniem rozbieżności uzyskanej dla

największego obciążenia przy prędkości obrotowej (1200 obr/min; 1400 obr/min, gdzie



i momentu obrotowego podczas pomiarów na linii

miejskiej: a) autobus zasilany ON, b) autobus


86

a)

b)

c)


na linii miejskiej oraz w teście drogowym SORT 2 w przedziałach prędkości obrotowej i momentu

obrotowego: a) autobus zasilany ON, b) autobus hybrydowy, c) autobus zasilany CNG

87

uzyskano –5,61%. Średnia różnic bezwzględnych udziału czasu pracy silników

spalinowych badanych obiektów wyniosła 1,9%. W warunkach drogowych uzyskano

większe pole pracy o 15 przedziałów niż w teście drogowym SORT 2.

Silniki spalinowe drugiego i trzeciego obiektu badawczego uzyskały najbardziej

zbliżone pola pracy podczas badań w ruchu miejskim; w odniesieniu do testu SORT 2 –

zarejestrowano 8 dodatkowych przedziałów. Dla rozwiązania hybrydowego w obszarze

biegu jałowego różnica udziału czasu pracy wyniosła –6,36%, natomiast dwie inne

istotne wartości 5,01% oraz –5,43% wystąpiły przy prędkości obrotowej wału

korbowego z zakresu (1000 obr/min; 1200 obr/min i obciążenia 0 N·m; 200 N·m,

a także w zakresie największych przedziałów prędkości obrotowej przy momencie

obrotowym (600 N·m; 800 N·m. Średnia różnica bezwzględna ze zbioru

rozpatrywanych wartości stanowiła 1,2%, natomiast dla trzeciego obiektu badawczego

uzyskano 2,5% (najwięcej spośród wszystkich autobusów). Dla jednostki zasilanej

paliwem alternatywnym wystąpiły znaczące rozbieżności udziałów czasu pracy,

wynoszące odpowiednio –7,78% i 9,71%, w zakresie obciążenia 0 N·m; 200 N·m dla

dwóch kolejnych przedziałów prędkości od biegu jałowego. W kolejnym obszarze

rozpatrywanego momentu obrotowego, przy najmniejszej prędkości obrotowej

zarejestrowano różnice udziału czasu pracy stanowiącą 7,55%. Dla parametrów

opisanych przedziałami (1000 obr/min; 1200 obr/min i (1000 N·m; 1200 N·m różnica

ta wyniosła –7,55%. W pozostałych przedziałach wyznaczone wartości osiągały

maksymalnie w ujęciu bezwzględnym 5,5%.

Ze względu na długość linii miejskiej oraz bieżące warunki drogowe w cyklach,

jakie wystąpiły podczas pomiarów, obiekty badawcze wygenerowały znaczące wartości

sumarycznej pracy (rys. 5.42). Wykonana praca autobusu z napędem konwencjonalnym

a) b)

c)



silników spalinowych podczas badań na linii

miejskiej: a) autobus zasilany ON, b) autobus


88

wyniosła 27,4 kW·h, pojazdu z napędem hybrydowym – 23,8 kW·h, natomiast dla

trzeciego rozwiązania zasilanego CNG była równa 26,2 kW·h. Tak jak we

wcześniejszych analizach, najmniejsza wartość uzyskana przez drugi obiekt badawczy

wynikała z korzystnej dla warunków miejskich współpracy elementów napędu

hybrydowego. Ponadto przedstawiony profil prędkości wskazuje najmniejszą liczbę

zatrzymań w tym cyklu pomiarowym. Największe kongestie wystąpiły podczas badań

autobusu zasilanego paliwem alternatywnym, co było niekorzystnie w aspekcie

generowanej energii przez silnik spalinowy, szczególnie widoczne jest to od 830 s do

1300 s, gdzie średnia prędkość wynosiła 0,5 m/s (przedział zaznaczony czerwoną linią

przerywaną). Krzywe przyspieszenia wyznaczone dla pojazdu konwencjonalnego

wskazują najsilniejszą zależność względem przyrostu energii sumarycznej, co jest

związane z wytwarzaniem przez silnik spalinowy chwilowej mocy charakteryzującej się

znacznymi wartościami.

5.9. Podsumowanie analiz dotyczących parametrów pracy autobusów

i układów napędowych

Wykonane analizy parametrów ruchu pojazdów komunikacji miejskiej i pracy ich

układów napędowych było konieczne do przeprowadzenia dalszych działań

dotyczących oceny wskaźników ekologicznych badanych autobusów. Przedstawione

rozważania wskazują, że testy jezdne SORT są zbyt krótkie, aby odzwierciedlić pełne

warunki eksploatacji autobusu miejskiego. Uproszczony charakter ich struktury

sprawia, że łatwo jest je realizować i możliwe jest uzyskiwanie bardzo dużej

powtarzalności prób. Jednak nie uwzględniają one dynamicznych sytuacji

występujących w warunkach drogowych. Przyjmując jako kryterium podobieństwa

prędkość średnią uzyskaną w danym przejeździe, a także rozkłady pól pracy określono,

że badania wykonane na linii miejskiej najbardziej zbliżone są do testu drogowego

SORT 2. Oznacza to, że możliwe jest stosowanie tego testu dla pojazdów

przeznaczonych do eksploatacji w aglomeracji poznańskiej.

Na podstawie otrzymanych profili prędkości oraz charakterystyk udziałów czasu

pracy pojazdów można stwierdzić, że warunki rzeczywistej eksploatacji cechują się

dużą zmiennością prędkości i przyspieszenia, a także możliwością występowania

różnych sytuacji oraz zdarzeń, które istotnie wpływają na parametry ruchu autobusu.

Parametry pracy silników spalinowych wskazują, że osiągały one w niewielkim

zakresie znamionowe wartości mocy, co wynikało z warunków eksploatacji oraz doboru

i charakterystyk elementów układów napędowych. Dla pojazdu konwencjonalnego

zasilanego ON oraz obiektu oznaczonego CNG istotny wpływ na wartość wytwarzanej

energii miało przyspieszenie oraz jego dynamika. Największe różnice w rozkładzie

udziałów na charakterystykach pól pracy uzyskał autobus hybrydowy podczas

porównania cykli badawczych realizowanych w aglomeracji poznańskiej z testem

SORT 2. Widoczna jest również mniejsza zależność między wytwarzaną energią przez

jednostkę spalinową a chwilową prędkością badanego pojazdu. W analizie wyników

badań, w zakresie prac dotyczących momentu obrotowego, uwzględniano problem

dodatkowego obciążenia wynikającego z oporów wewnętrznych silników spalinowych.

89

6. Parametry pracy silników spalinowych w testach

homologacyjnych

6.1. Dynamiczne testy homologacyjne

W celu porównania warunków pracy silników spalinowych w testach

homologacyjnych i badaniach drogowych, wyznaczono udziały czasu pracy tych

jednostek w przedziałach prędkości oraz momentu obrotowego odnosząc się do

dynamicznych cykli ETC i WHTC. Testy te opracowano w taki sposób, aby symulować

warunki rzeczywistej eksploatacji, dla tego zostały one uwzględnione w niniejszych

rozważaniach. Na podstawie przeprowadzonych działań symulacyjnych wyznaczono

sumaryczną pracę wykonaną podczas ich realizacji. Poznanie parametrów pracy

silników obiektów badawczych jest także niezbędne do wyznaczenia wskaźników

emisji zanieczyszczeń na zgodność w eksploatacji, co uwzględniono w Rozporządzeniu

UE 582/2011 [70]. Zawarta w nim procedura przewiduje wykorzystanie sumarycznej

energii wytworzonej przez silnika spalinowy w teście WHTC, na podstawie której

określa się okna pomiarowe. Jednak obiektami badawczymi były autobusy spełniające

normę Euro V, dlatego uwzględniono także test ETC. Przedstawione wartości

uwzględniają wyznaczoną moc ujemną, co wynika z charakteru rozpatrywanych cykli,

przy czym krzywa sumy pracy uwzględnia jedynie wartości dodatnie (rys. 6.1–6.3).

a)

b)

Rys. 6.1. Udziały zakresów prędkości obrotowej i momentu obrotowego oraz przebieg mocy wraz

z sumaryczną pracą silnika spalinowego DAF PR265 w teście: a) ETC, b) WHTC

90

Silnik spalinowy autobusu konwencjonalnego zasilanego ON w teście ETC pracował

najczęściej przy prędkości obrotowej wału korbowego (1600 obr/min; 2000 obr/min,

w pełnym przedziale występującego obciążenia 0 N·m; 1600 N·m, gdzie całkowity

udział czasu pracy wyniósł 73% (rys. 6.1a). Istotna wartość pola pracy 8,7% wystąpiła

również w obszarze najmniejszej prędkości obrotowej (największe znaczenie miał

zakres, gdzie moment obrotowy nie przekraczał 200 N·m). Przebieg chwilowej

generowanej mocy przez silnik spalinowy wskazuje, że badany obiekt często osiągał

wartości bliskie mocy znamionowej, co wpłynęło na uzyskany znaczący wynik pracy

sumarycznej 47,4 kW·h. W teście dynamicznym obowiązującym dla normy Euro VI

zakres pracy jednostki obejmuje również znaczne pole, przy czym największe udziały

czasu pracy występują w zakresie mniejszych obciążeń (rys. 6.1b). Główny udział

wyniósł 61,6% dla prędkości obrotowej (1200 obr/min; 1800 obr/min przy obciążeniu

do 1200 N·m, natomiast w obszarze do 200 N·m uzyskano udział czasu pracy 29,7%.

Dla biegu jałowego czas pracy stanowił 17,6% testu WHTC. Przebieg generowanych

mocy pokazuje, że obiekt osiągał wartości znamionowe znacznie rzadziej niż w teście

ETC. W związku z tym sumaryczna praca również była mniejsza i wynosiła 28 kW·h.

Zastosowany w napędzie hybrydowym silnik Cummins ISB6.7 285H podczas testu

ETC pracował najczęściej przy prędkości obrotowej (1400 obr/min; 1800 obr/min

w pełnym zakresie obciążeń do 1008 N·m (rys. 6.2a). Udział czasu pracy przy tych

parametrach wyniósł 77,8%. W obszarze obejmującym prędkość obrotową biegu

a)

b)


z sumaryczną pracą silnika spalinowego Cummins ISB6.7 285H w teście: a) ETC, b) WHTC

91

jałowego i momencie obrotowym do 200 N·m uzyskano 9,1% całkowitego czasu pracy.

Osiągane moce chwilowe w pewnym zakresie były bliskie wartościom znamionowym,

jednak w odniesieniu do silnika DAF PR265 zakres ten był mniejszy. Fakt ten oraz

mniejsza moc znamionowa badanego obiektu przyczyniły się do wytworzenia mniejszej

energii całkowitej w teście wynoszącej 30,8 kW·h. W cyklu WHTC uzyskano większy

obszar pracy silnika spalinowego, przy czym największy udział czasu pracy (58,8%)

wystąpił dla zakresu prędkości obrotowej (1000 obr/min; 1600 obr/min i obciążenia do

600 N·m (rys. 6.2b). Dla takiego obszaru prędkości, w przedziale momentu obrotowego

0 N·m; 200 N·m uzyskano wartość 34,2%. W punkcie obejmującym bieg jałowy

udział czasu pracy wyniósł 18,7%. Praca wytworzona podczas trwania tego testu

wyniosła 17,9 kW·h. Przebieg generowanej mocy wskazuje, że prawie w całym

obszarze cyklu WHTC silnik generował mniejszą moc niż w teście ETC.

Dla silnika Cummins ISLG 320 o ZI zasilanego CNG, w teście ETC największy

udział pracy (73,9%) uzyskano przy prędkości obrotowej (1400 obr/min; 1800 obr/min

w całym zakresie obciążenia do 1356 N·m (rys. 6.3a). Znaczące są również udziały

przedziałów w najmniejszym obszarze momentu obrotowego do 200 N·m – dla

prędkości biegu jałowego jego wartość stanowiła 7,6%, natomiast dla prędkości

obrotowej z zakresu (1200 obr/min; 1800 obr/min wyniosła ona 32,3% dla całego

testu. Przebieg chwilowej mocy wskazuje na silne obciążenie silnika, jednak warunki,

a)

b)


z sumaryczną pracą silnika spalinowego Cummins ISLG 320 w teście: a) ETC, b) WHTC

92

w których uzyskano parametry znamionowe wystąpiły tylko trzy razy. Całkowita praca

dla rozpatrywanego testu wyniosła 37,8 kW·h. W cyklu WHTC największy udział pracy

stanowiący 56% czasu wystąpił w przedziale (1000 obr/min; 1600 obr/min przy

obciążeniu do 600 N·m (rys. 6.3b). Dla punktu uwzględniającego bieg jałowy udział ten

osiągnął wartość 18,5%. Całkowita praca była mniejsza niż w dynamicznym teście ETC

i wyniosła 22,2 kW·h.

Przedstawione udziały czasu pracy oraz przebiegi chwilowych mocy silników

spalinowych badanych obiektów w testach dynamicznych różnią się między sobą.

Wynika to m.in. z różnych wytycznych dotyczących realizacji testów ETC i WHTC.

Test obowiązujący w normie Euro VI wyróżnia się mniejszym udziałem punktów silnie

obciążających silnik, bliskich charakterystyce zewnętrznej. Ponadto każda

rozpatrywana jednostka cechowała się innym przebiegiem momentu obrotowego

i mocy, co ma bardzo istotne znaczenie podczas przeliczania rzeczywistych parametrów

pracy danego obiektu, związanych z wyznaczaniem prędkości charakterystycznych (nref,

nhi oraz nlo). Należy jednak zauważyć, że tendencje rozkładów punktów dla danych

testów były zbliżone, dotyczy to także silnika o ZI Cummins ISLG 320, który ma inną

charakterystykę przebiegu krzywej maksymalnego momentu obrotowego w odniesieniu

do pozostałych jednostek o ZS.

6.2. Porównanie parametrów pracy silników spalinowych w testach

homologacyjnych i badaniach drogowych

W celu porównania warunków pracy silników spalinowych w testach

homologacyjnych i w rzeczywistej eksploatacji, wyznaczono różnice zarejestrowanych

udziałów czasu pracy w zakresach prędkości obrotowej oraz momentu obrotowego

(rys. 6.4 i 6.5). Zarówno w znormalizowanych testach jezdnych, jak i na opracowanych

trasach badawczych, zarejestrowane pola pracy i występujące na nich udziały znacząco

różnią się od warunków uzyskiwanych w badaniach na hamowni silnikowej.

Dynamiczne testy homologacyjne przygotowywano w taki sposób, aby jak najbardziej

odzwierciedlały rzeczywistą eksploatację silnika w pojeździe ciężkim. W związku

z tym do analizy przyjęto różnicę dwóch wartości: udział czasu rozpatrywanego

przedziału w teście homologacyjnym oraz udział czasu odpowiedniego przedziału

w badaniach drogowych. Wynik dodatni świadczył o większej wartości udziału czasu

pracy w badaniach homologacyjnych. Dodatkowo na charakterystykach zaznaczono

obszary (szary – ON, niebieski – HYBRYDA, zielony – CNG), które wystąpiły podczas

badań na linii miejskiej, dzięki czemu możliwe jest porównanie wielkości pól pracy.

Biorąc pod uwagę dane dotyczące testu ETC, największe rozbieżności w zakresie

wielkości pól pracy wyznaczono dla silnika spalinowego DAF PR265 zastosowanego

w pojeździe konwencjonalnym. Natomiast najmniejsza różnica pokrycia przedziałów

wystąpiła dla jednostki Cummins ISB6.7 285H wykorzystanej w napędzie

hybrydowym. Średnie wartości bezwzględnych różnic udziałów czasu pracy dla

kolejnych obiektów badawczych wyniosły: 2,6%, 4% i 3,5%. Zarówno dla silnika

autobusu konwencjonalnego, jak i zasilanego sprężonym gazem ziemnym w zakresie

prędkości obrotowej biegu jałowego, a także najmniejszego obciążenia, uzyskano

93

a)

b)

c)

Rys. 6.4. Różnica udziałów czasu pracy silników spalinowych obiektów badawczych w teście

homologacyjnym ETC oraz podczas pomiarów na linii miejskiej w przedziałach prędkości obrotowej


94

a)

b)

c)

Rys. 6.5. Różnica udziałów czasu pracy silników spalinowych obiektów badawczych w teście

homologacyjnym WHTC oraz podczas pomiarów na linii miejskiej w przedziałach prędkości obrotowej


95

zbliżone wartości różnic stanowiące odpowiednio –24,25% oraz –24,6%. Rozbieżności

te są największe spośród obydwu analizowanych charakterystyk. Świadczy to o tym, że

jednostki podczas pomiarów na hamowani silnikowej pracują w zbyt ograniczonym

czasie w takich warunkach, które są często uzyskiwane podczas rzeczywistej

eksploatacji autobusów miejskich. Działanie układu hybrydowego przyczyniło się do

uzyskania mniejszej różnicy dla przywołanego przedziału, gdzie uzyskano –17,3%.

Największą wartość analizowanych wskaźników obliczono dla obszaru prędkości

obrotowej (1000 obr/min; 1200 obr/min w zakresie momentu obrotowego do 200 N·m

i stanowiła ona –21,68% udziału czasu pracy.

Silnik spalinowy pierwszego obiektu badawczego uzyskał większe udziały w teście

homologacyjnym ETC niż w warunkach drogowych dla prędkości z zakresu

(1800 obr/min; 2000 obr/min i obciążenia w przedziale 0 N·m; 600 N·m, gdzie dla

pojedynczych obszarów uzyskano różnicę czasu pracy od 7,17% do 13,32%.

Dodatkowo na hamowni silnikowej w teście ETC osiągano znacznie większe wartości

prędkości obrotowej (ponad 2400 obr/min), co nie wystąpiło w badaniach drogowych.

Związane to było z charakterystyką jednostki napędowej i doborem przełożeń skrzyni

przekładniowej. Dla silnika wykorzystanego w układzie hybrydowym uzyskano różnicę

w udziale czasu pracy dla prędkości (1600 obr/min; 1800 obr/min w najmniejszym

zakresie obciążenia stanowiącą 18,1%, a w przedziale (200 N·m; 400 N·m wyniosła

ona 12,14%. W ostatnim badanym obiekcie zasilanym sprężonym gazem ziemnym

osiągnięto istotne rozbieżności rozpatrywanych udziałów dla prędkości obrotowej wału

korbowego (1400 obr/min; 1600 obr/min i momentu obrotowego do 200 N·m

(15,17%), natomiast dla większego obciążenia niż 1200 N·m wyznaczono 9,79%.

Ponadto przy najmniejszym momencie w przedziale (1600 obr/min; 1800 obr/min

uzyskano różnicę udziałów czasu pracy wynoszącą 11,9%.

Na podstawie wyznaczonych charakterystyk można stwierdzić, że w warunkach testu

ETC występuje zdecydowanie zbyt mały udział czasu pracy w zakresie najmniejszych

obciążeń do 200 N·m i prędkości obrotowej mniejszej niż 1200 obr/min (szczególnie

dla silników ZS). Zdecydowanie zbyt duże udziały czasu pracy występują w zakresie

prędkości obrotowej większej niż 50% wartości maksymalnej, przy momencie

obrotowym do 50% wartości znamionowej oraz w zakresie największych wartości obu

tych parametrów. Podczas porównywania udziałów czasu pracy zarejestrowanych

w teście WHTC i rzeczywistych warunkach eksploatacji uzyskano mniejsze różnice dla

pojedynczych przedziałów (rys. 6.5). Rozbieżności w uzyskanych zakresach pierwszego

i trzeciego obiektu badawczego uzyskały zbliżone wyniki, natomiast dla silnika

spalinowego wykorzystanego w autobusie hybrydowym były one większe. Na

podstawie wielkości otrzymanych pól pracy można stwierdzić, że warunki

dynamicznego testu homologacyjnego obejmują większy zakres prędkości obrotowej

i obciążenia silnika spalinowego niż występuje w warunkach drogowych.

Takie same rozważania dotyczące różnic w udziałach czasu pracy przeprowadzono

również dla testu WHTC. Na podstawie pierwszej charakterystyki (rys. 6.5a) można

wnioskować, że największe różnice rozpatrywanych wartości wystąpiły dla obciążenia

do 200 N·m w zakresie od prędkości obrotowej biegu jałowego do 1800 obr/min. Dla

96

pierwszego pojedynczego przedziału uzyskano różnice czasu pracy wynoszącą

–15,35%; natomiast w kolejnych obszarach wartości te zmieniały się od –11,01%

do 11,3%. Silnik ISB6.7 285H osiągnął w rozpatrywanym zakresie mniejsze

rozbieżności. W obszarze prędkości obrotowej biegu jałowego wyniosła ona –7,76%,

a przy prędkości z zakresu (1000 obr/min; 1600 obr/min dla pojedynczych przedziałów

osiągnęły odpowiednio: –15,27%, 14,17% oraz 12,36% udziału czasu pracy. Silnik ZI,

zastosowany w trzecim obiekcie, w zakresie najmniejszej prędkości obrotowej

i obciążenia uzyskał różnicę udziałów czasu pracy równą –13,72%, zaś dla momentu

obrotowego z obszaru (200 N·m; 400 N·m wyznaczono –11,16%. Największa różnica

(–16,04%) wystąpiła przy parametrach pracy silnika spalinowego opisanego

przedziałami (800 obr/min; 1000 obr/min i 0 N·m; 200 N·m. Kolejne istotne różnice

rozważanych wartości osiągnięto dla tego samego obciążenia w pojedynczych

zakresach prędkości (1200 obr/min; 1600 obr/min, które wyniosły, odpowiednio,

14,29% oraz 11,31%.

Wyznaczone średnie wartości bezwzględnych różnic wyniosły dla pierwszej

charakterystyki 2,1% (autobus konwencjonalny zasilany ON), natomiast dla drugiej

i trzeciej 2,5%, czyli dla pojazdu hybrydowego oraz zasilanego sprężonym gazem

ziemnym. Na podstawie przedstawionej analizy można stwierdzić, że dynamiczny test

homologacyjny WHTC lepiej odzwierciedla warunki rzeczywistej eksploatacji

jednostki spalinowej autobusu miejskiego, należącego do grupy pojazdów ciężkich.

Jednak charakteryzuje się on zbyt szerokim zakresem parametrów pracy – szczególnie

dotyczy to prędkości obrotowej wału korbowego. Ponadto w przedziale najmniejszego

obciążenia przy prędkości obrotowej do 1200 obr/min dla silników ZS (do

1000 obr/min silniki ZI) występuje niedoszacowanie udziałów czasu pracy, zaś powyżej

tych wartości są one zbyt duże.

97

7. Analiza wskaźników ekologicznych i zużycia paliwa autobusów

miejskich w rzeczywistych warunkach ruchu

7.1. Uwagi ogólne

Na podstawie rozważań przeprowadzonych w rozdziale dotyczącym analizy

parametrów ruchu i pracy układów napędowych stwierdzono, że najbardziej zbliżonym

cyklem pomiarowym do przejazdu na linii miejskiej był znormalizowany test jezdny

SORT 2. W związku z tym przyjęto, że dla tego testu, w zakresie analizy wskaźników

ekologicznych, korzystne jest przedstawienie przebiegów natężenia emisji związków

szkodliwych wyznaczonych dla wszystkich obiektów badawczych. Uzupełniono je

krzywymi opisującymi zamiany prędkości pojazdów oraz prędkości i momentu

obrotowego. Umożliwiło to przeprowadzenie szczegółowych analiz oraz określenia

zależności między nimi. W celu kompleksowego poznania zagadnień związanych

z własnościami ekologicznymi autobusów miejskich, dla trasy badawczej nr 2 oraz linii

miejskiej wyznaczono charakterystyki natężenia emisji wybranych związków

szkodliwych. Ze względu na dystanse pokonane przez pojazdy w wymienionych

cyklach pomiarowych, a także czas ich trwania, trudno byłoby przedstawić pojedyncze

przebiegi natężenia emisji zanieczyszczeń, ponieważ otrzymane zależności były by

nieczytelne. Jednak wyznaczenie trójwymiarowych charakterystyk udziałów

poszczególnych związków szkodliwych w zależności od parametrów pracy silników

i pojazdów, pozwoliło przeprowadzić szczegółowe rozważania na ten temat.

Dla wszystkich wykonanych badań (znormalizowanych testów SORT, tras

badawczych oraz linii miejskiej) wyznaczono całkowite wartości emisji drogowej

i jednostkowej następujących związków toksycznych: CO, THC, NOx oraz PM,

traktowanych jako wskaźniki ekologiczne. W dalszej części tego rozdziału określono

współczynnik kj stanowiący stosunek emisji jednostkowej badanego związku

szkodliwego do wartości maksymalnej zdefiniowanej przez normę emisji spalin Euro

V–EEV odnoszącą się do homologacyjnego testu dynamicznego ETC. Zestawiono

również całkowitą zarejestrowaną emisję drogową związku szkodliwego CO2.

Pozwoliło to wykonać obliczenia i uzupełnić rozważania w zakresie zużycia paliwa

wyznaczonego na podstawie metody bilansu węgla. Uwzględniając pomiary wykonane

w rzeczywistych warunkach drogowych na linii miejskiej, przeprowadzono

uproszczony bilans ekonomiczny kosztów eksploatacji obiektów badawczych.

7.2. Emisja jednostkowa i drogowa zanieczyszczeń wyznaczona

z pomiarów przeprowadzonych w testach drogowych SORT

Na podstawie natężenia emisji związków szkodliwych oraz parametrów pracy

silników spalinowych wraz z przebiegami prędkości można stwierdzić, że natężenie

emisji CO pierwszego obiektu badawczego zasilanego ON i trzeciego zasilanego CNG

osiąga największe wartości podczas rozpędzania (rys. 7.1). W autobusie wyposażonym

w napęd hybrydowy również widoczna jest taka zależność w czasie przyrostu

prędkości, jednak maksymalne wartości są znacznie mniejsze. Wynika to z faktu, że

98

a) b)

c)

Rys. 7.1. Przebieg prędkości pojazdu, prędkości

obrotowej wału korbowego, momentu obrotowego

oraz natężenia emisji: CO, THC, NOx, i PM

zarejestrowane podczas badań w znormalizowanym

teście drogowym SORT 2: a) autobus zasilany ON,


99

napęd alternatywny podczas ruszania wykorzystuje energię nie tylko z silnika

spalinowego, ale również z zasobników energii elektrycznej, w związku z czym

jednostka spalinowa nie jest gwałtownie obciążana i tym samym ograniczone jest

zjawisko spalania niezupełnego i niecałkowitego. Uzyskane wartość CO w kolejnych

cyklach pomiarowych testu drogowego SORT 2 wskazują, że jej natężenie jest ściśle

związane z parametrami pracy autobusu, przy czym wartości maksymalne nie zależą od

uzyskanych prędkości w kolejnych profilach testu znormalizowanego. Największe

zarejestrowane natężenia emisji CO wyniosły dla pojazdu oznaczonego ON –

337,6 mg/s, HYBRYDA – 93,2 mg/s oraz CNG – 449 mg/s.

Charakterystyki natężenia emisji THC przedstawiają zbliżone przebiegi do

rozpatrywanego wcześniej związku toksycznego, przy czym dla autobusu

wyposażonego w silnik ZI zarejestrowano jej istotne zwiększenie w porównaniu

do pozostałych autobusów. Największe wartości emisji sekundowej zarówno dla

pojazdu konwencjonalnego (do 31,5 mg/s), jak również zasilanego sprężonym gazem

ziemnym (do 250,6 mg/s), wystąpiły podczas rozpędzania – we wszystkich profilach

testu. Ze względu na charakterystykę silnika spalinowego i znaczący udział energii

elektrycznej w rozwiązaniu hybrydowym, dla pierwszego profilu testu drogowego

SORT 2 uzyskano niewielkie zwiększenie natężenia emisji, natomiast w kolejnych

fragmentach, podczas przyrostu prędkości, osiągało ono 15 mg/s. Świadczy to

o niedoborze energii w superkondensatorach i akumulatorach, która nie pokryła

całkowitego zapotrzebowania energetycznego, jednak w istotnym zakresie ograniczyła

zawartość rozpatrywanego związku toksycznego w gazach wylotowych. Odnosząc się

do trzeciego obiektu badawczego zaobserwowano wpływ współpracy silnika

spalinowego ze skrzynią biegów – parametry pracy podczas zmiany przełożenia miały

istotny wpływał na natężenie emisji THC.

Znaczące różnice w zakresie natężenia emisji NOx wystąpiły między autobusem

wyposażonym w silnik ZI, a pozostałymi dwoma pojazdami. Wynikało to głównie

z zastosowania różnych układów pozasilnikowych oczyszczających spaliny. Dla

jednostki pracującej w obiegu Otto zastosowano reaktor TWC, charakteryzujący się

wysokim poziomem redukcji rozpatrywanego związku. Natomiast w pozostałych

obiektach badawczych jako środki zmniejszające stężenie NOx wykorzystano system

recyrkulacji gazów wylotowych i układ selektywnej redukcji katalitycznej SCR. W tym

układzie stopień konwersji jest uzależniony przede wszystkim od temperatury oraz

masowego natężenia przepływu spalin – przy większym przepływie konwersja jest

mniejsza. Dla autobusów zasilanych paliwem konwencjonalnym uzyskano maksymalne

wartości natężenia emisji NOx równe 184,7 mg/s i 367 mg/s (odpowiednio dla

pojazdów oznaczonych ON oraz HYBRYDA). Ponadto na rozpatrywanych wykresach

widoczny jest wpływ parametrów ruchu (przyspieszania) pojazdów oraz związane

z nimi zmiany obciążenia na zarejestrowane natężenia emisji NOx. Dla pojazdu

zasilanego sprężonym gazem ziemnym charakterystyka nie przedstawia tak ścisłej

zależności związanej z pracą autobusu, a otrzymane wartości chwilowe nie

przekroczyły 30 mg/s.

Oprócz składników gazowych spalin, analizie poddano również natężenie emisji

cząstek stałych. Największe jej wartości do 1,58 mg/s wystąpiły podczas testu

100

obejmującego badania pierwszego obiektu badawczego. W autobusie hybrydowym

chwilowe natężenie emisji PM nie przekroczyło 0,68 mg/s. Wynikało to z faktu, że

odpowiednia charakterystyka napędu alternatywnego pojazdu nie wymuszała

gwałtownych zmian obciążenia silnika spalinowego podczas zmian parametrów ruchu,

jak ma to miejsce w układzie klasycznym. W rozpatrywanych obiektach badawczych

układami zmniejszającymi zawartość rozpatrywanego składnika spalin były filtry

cząstek stałych. Bardzo małe natężenie emisji PM (do 0,01 mg/s) uzyskano w autobusie

zasilanym sprężonym gazem ziemnym, gdzie nie użyto żadnych dodatkowych układów

oczyszczania gazów wylotowych dedykowanych dla tego związku toksycznego.

Wynikało to z faktu zastosowania paliwa gazowego, które bardzo dobrze miesza się

z powietrzem w komorze spalania, a także obiegu termodynamicznego, w którym

pracowała jednostka spalinowa.

W celu dokonania oceny porównawczej zarejestrowanych wyników badań

uzyskanych w znormalizowanym teście drogowym SORT 2, zestawiono otrzymane

wartości emisji drogowej składników toksycznych gazów wylotowych (rys. 7.2). Jak

w przypadku przedstawionych wyników natężenia emisji, również największe wartości

emisji drogowej CO i THC (odpowiednio 10,47 g/km i 2,65 g/km) odnotowano dla

autobusu zasilanego sprężonym gazem ziemnym. W pomiarach pierwszego obiektu

badawczego dla wymienionych związków szkodliwych uzyskano 6,11 g/km oraz

0,34 g/km; natomiast dla pojazdu z napędem hybrydowym emisja drogowa wyniosła

4,9 g/km i 0,29 g/km. Działanie napędu hybrydowego i zastosowanie silnika

charakteryzującego się najmniejszym maksymalnym momentem obrotowym odnosząc

się do innych jednostek, spowodowało uzyskanie największych wartości sprawności,

a tym samym największej emisji drogowej NOx – 9,91 g/km. W napędzie tradycyjnym

osiągnięte emisja drogowa tego związku wyniosła 6,26 g/km, a w teście autobusu

miejskiego zasilanego paliwem alternatywnym CNG – 0,82 g/km. Dla trzeciego obiektu

zarejestrowano również znacznie mniejszą (około stukrotnie) emisję drogową PM.

Rys. 7.2. Emisja drogowa CO, THC, NOx, oraz PM wyznaczona na podstawie badań w teście

drogowym SORT 2

W zestawieniu emisji jednostkowej zanieczyszczeń dla testu SORT 2 (rys. 7.3)

uzyskano takie same tendencje, jak we wcześniej analizowanym porównaniu emisji

101

drogowej związków toksycznych. Największe różnice dla różnych napędów wystąpiły

w aspekcie związków THC i PM. Emisja jednostkowa THC pierwszego i drugiego

obiektu badawczego była około dziesięciokrotnie mniejsza w stosunku do pojazdu

z silnikiem ZI. Przyjmując jako odniesienie (jako 100%) wartości NOx wyznaczone dla

autobusu ON, w teście dotyczącym rozwiązania hybrydowego uzyskano wartości

o 58% większe, co wynikało z osiągnięcia przez napęd dużej sprawności podczas

eksploatacji. Dla autobusu zasilanego paliwem alternatywnym emisja jednostkowa NOx

była mniejsza o 87%, na co przede wszystkim miał wpływ zastosowany układ

oczyszczania spalin. Przyjmując taki sam tok obliczeń, trzeci pojazd charakteryzował

się mniejszą emisją drogową PM o ponad 99%, natomiast drugi o blisko 30%

w odniesieniu do pojazdu zasilanego ON.

Rys. 7.3. Emisja jednostkowa CO, THC, NOx, oraz PM wyznaczona na podstawie badań w teście

drogowym SORT 2

W celu pełnej analizy wskaźników ekologicznych obiektów badawczych,

przedstawiono wyniki uzyskane w pozostałych testach drogowych. Podczas realizacji

znormalizowanego testu SORT 1, odzwierciedlającego warunki eksploatacji w ścisłym

centrum miasta, największe wartości emisji drogowej CO (12,62 g/km), a także THC

(3,36 g/km) uzyskano dla pojazdu zasilanego paliwem alternatywnym (rys. 7.4).

Spowodowane to było m.in. pracą jednostki na mieszance zbliżonej do

stechiometrycznej, a także przebiegiem reakcji spalania gazu ziemnego. Należy także

zaznaczyć, iż trójfunkcyjny reaktor katalityczny charakteryzował się ograniczoną

sprawnością utleniania metanu. Zastosowanie układu hybrydowego z jednostką

o najmniejszej mocy znamionowej spowodowało uzyskanie przez drugi obiekt

badawczy największej emisji drogowej NOx wynoszącej 16,8 g/km. Dla autobusu

konwencjonalnego wyniosła ona 14,02 g/km. Analizując obliczone wartości

PM obiektów badawczych oznaczonych ON, HYBRYDA i CNG uzyskano

odpowiednio: 29,97 mg/km; 24,02 mg/km, a także 0,19 mg/km.

Ze względu na krótki czas trwania testu SORT 1, w zakresie wyznaczonej emisji

jednostkowej zanieczyszczeń CO i THC uzyskano podobne tendencje (rys. 7.5), jak na

wcześniejszym zestawieniu. W aspekcie wymienionych związków toksycznych spalin,

102


drogowym SORT 1

pojazd zasilany sprężonym gazem ziemnym uzyskał największe wartości, odpowiednio

12,62 g/(kW·h), a także 3,36 g/(kW·h); natomiast rozwiązanie hybrydowe osiągnęło

najkorzystniejsze wyniki, kolejno: 6,11 g/(kW·h) i 0,42 g/(kW·h). Największe wartości

emisji jednostkowej NOx 5,61 g/(kW·h) oraz 6,72 g/(kW·h) wystąpiły dla obiektów

badawczych wyposażonych w silniki ZS. W tego typu jednostkach napędowych

redukcja wymienionego związku wymaga stosowania układów SCR, które cechują się

małą efektywnością w ciężkich warunkach eksploatacji, jakie wystąpiły

w rozpatrywanych cyklach pomiarowych. Ze względu na trudne warunki testu, wyniki

dla rozpatrywanego związku toksycznego osiągnęły większe wartości niż w próbach

wykonanych zgodnie z cyklem SORT 2. Zastosowanie paliwa gazowego w trzecim

autobusie wpłynęło korzystnie na emisję jednostkową PM, która osiągnęła najmniejszą

wartość spośród wszystkich obiektów badawczych – 0,08 mg/(kW·h), natomiast

zastosowanie wspomagania układem elektrycznym napędu pozwoliło uzyskać w tym

zakresie 9,54 mg/(kW·h). Dla rozwiązania konwencjonalnego wyznaczono największą

wartość emisji jednostkowej PM wynoszącą 12,8 mg/kW·h.


drogowym SORT 1

103

Specyfika testu odzwierciedlającego warunki podmiejskie SORT 3, wpłynęła

korzystnie na uzyskane wyniki emisji drogowej związków toksycznych badanych

autobusów: zarejestrowane wartości były najmniejsze spośród wszystkich

znormalizowanych testów jezdnych SORT (rys. 7.6). Analogicznie do wcześniej

rozpatrywanych wyników badań, największe wartości wystąpiły w zakresie emisji

drogowej NOx dla pierwszego i drugiego obiektu, gdzie uzyskano dla autobusów

miejskich oznaczonych odpowiednio: ON – 4,12 g/km, HYBRYDA – 8,02 g/km oraz

CNG – 0,77 g/km. Bardzo małą emisję drogową PM (0,08 mg/km) zarejestrowano

podczas przejazdu autobusu zasilanego sprężonym gazem ziemnym, pojazd

konwencjonalny uzyskał wynik 20,01 mg/km; a hybrydowy 16,87 mg/km. Odnosząc się

do emisji drogowej CO oraz THC najmniejsze wartości wyznaczono dla drugiego

pojazdu z analizowanych obiektów badawczych.


drogowym SORT 3

Przyjmując jako wartości odniesienia (100%) emisję jednostkową zanieczyszczeń

zarejestrowaną dla autobusu konwencjonalnego wyznaczono, że największe różnice

wystąpiły w zakresie emisji PM (rys. 7.7) – w pojeździe hybrydowym emisja była


drogowym SORT 3

104

mniejsza o 15% i wynosiła 7,09 mg/(kW·h), natomiast zasilanym CNG o 99,5% i była

równa 0,04 mg/(kW·h). Wyniki dla związków toksycznych CO i THC wykazały taką

samą tendencję, jak we wcześniej rozpatrywanych przypadkach. Podobnie

ukształtowała się jednostkowa emisja NOx, gdzie największą wartość 3,97 g/(kW·h)

osiągnięto dla rozwiązania hybrydowego. We wszystkich analizowanych próbach

pomiarowych otrzymane wskaźniki ekologiczne zależały przede wszystkim od

warunków testu, mających wpływ na parametry pracy silników. Istotne były również

obiegi termodynamiczne zastosowanych jednostek w autobusach – główną rolę w

procesie powstawania związków szkodliwych mają zjawiska fizykochemiczne

zachodzące podczas spalania w cylindrach. Ponadto na ostateczne wartości emisji

jednostkowej zanieczyszczeń miały duży wpływ pozasilnikowe systemy oczyszczania

spalin zastosowane w układach wylotowych badanych pojazdów.


z pomiarów przeprowadzonych na trasach badawczych

Zarejestrowane wartości natężenia emisji zanieczyszczeń odniesiono do warunków

eksploatacji pojazdów. Dzięki temu możliwe było wyznaczenie wpływu parametrów

pracy autobusów na wskaźniki ekologiczne. W odniesieniu do natężenia emisji CO, dla

wszystkich badanych obiektów, największe wartości wystąpiły w zakresie dodatnich

wartości przyspieszenia do 1,6 m/s2 (dla pojazdu hybrydowego do 2,4 m/s

2) przy

prędkości pojazdu z zakresu (0 m/s; 8 m/s (rys. 7.8). W tych obszarach kolejne obiekty

a) b)

c)

Rys. 7.8. Natężenie emisji CO w przedziałach

prędkości i przyspieszenia pojazdów podczas badań

na trasie badawczej nr 2: a) autobus zasilany ON, b)

autobus hybrydowy, c) autobus zasilany CNG

105

uzyskały średnie wartości natężenia emisji CO wynoszące kolejno: 106,9 mg/s,

34,7 mg/s i 124,5 mg/s. W badaniach autobusów oznaczonych ON oraz CNG uzyskano

zbliżone rozkłady natężeń emisji – ściśle zależne od przyspieszenia, natomiast

rozwiązanie hybrydowe charakteryzowało się w przybliżeniu równomiernym rozkładem

wyznaczonych wartości. Najmniejsze natężenie emisji CO wystąpiło podczas pomiarów

obejmujących autobus hybrydowy, co potwierdza skuteczną pracę zastosowanego

układu elektrycznego, przede wszystkim w stanach nieustalonych obejmujących proces

rozpędzania. Ponadto w tym pojeździe, dla ujemnych wartości przyspieszenia,

zarejestrowano wartości rozpatrywanego związku do 18 mg/s dla pojedynczych

przedziałów, co było bezpośrednio związane z doładowywaniem akumulatorów energii

elektrycznej w czasie hamowania przez silnik spalinowy (generowany moment

obrotowy przekazywany był do prądnicy).

Ze względu na znaczną zawartość metanu w gazach wylotowych, największe

natężenie emisji THC zarejestrowano podczas badań autobusu zasilanego gazem

ziemnym (rys. 7.9). W obszarze (0 m/s2; 1,6 m/s

2 dla prędkości do 8 m/s średnia

wartość wyniosła 137 mg/s, przy czym w dwóch pojedynczych przedziałach od 0 m/s,

dla przyspieszenia powyżej 0,8 m/s2, zarejestrowano natężenie emisji tego związku

wynoszące 240,2 mg/s oraz 277,6 mg/s. Świadczy to o występowaniu niekorzystnych

zjawisk w procesie spalania podczas zmian obciążenia i prędkości obrotowej wału

korbowego wymuszonych parametrami pracy pojazdu – ruszanie i zwiększanie

prędkości. Dla pozostałych dwóch obiektów badawczych wyznaczone wartości nie

przekroczyły 18,5 mg/s. Największe natężenie emisji THC wystąpiło przy

przyspieszeniu zerowym i dodatnim dla autobusu konwencjonalnego w zakresie

prędkości do 4 m/s, gdzie średnia wartość wyniosła 7,3 mg/s. Ten sam wskaźnik

odnoszący się do autobusu miejskiego z napędem hybrydowym uzyskał 2,4 mg/s

i zarejestrowano go dla prędkości pojazdu w przedziale (6 m/s; 12 m/s.

Przedstawione charakterystyki natężenia emisji NOx wskazują, że największe

wartości występowały w zakresie przyspieszenia większego niż 0,8 m/s2 dla prędkości

z zakresu (0 m/s; 14 m/s (rys. 7.10). Średnia wartości pojedynczych przedziałów tego

obszaru wyniosła 94,9 mg/s. Maksymalne natężenie emisji NOx (201,2 mg/s) wystąpiło

przy parametrach pracy (1,6 m/s2; 2,4 m/s

2 oraz (4 m/s; 6 m/s. Ponadto dla mniejszych

wartości przyspieszenia widoczna jest zależność – większe natężenia emisji

w przedziałach małej prędkości pracy autobusu. Inne tendencje wystąpiły podczas

badań pojazdu z napędem hybrydowym: dla tego rozwiązania istotne wartości natężenia

emisji rozpatrywanego związku toksycznego wystąpiły nie tylko w obszarze

przyspieszenia dodatniego, ale także przy a = 0 m/s2. Największe wskaźniki

zarejestrowano w zakresie prędkości średnich, a maksymalne wartości 310,2 mg/s oraz

224,3 mg/s wystąpiły dla parametrów pracy autobusu miejskiego opisanych

przedziałami (1,6 m/s2; 2,4 m/s

2 i (6 m/s; 8 m/s, a także (0,8 m/s

2; 1,6 m/s

2 oraz

(10 m/s; 12 m/s. Na taki kształt charakterystyki wpłynął udział układu elektrycznego

w pracy pojazdu – energia elektryczna wykorzystywana była podczas ruszania

i rozpędzania w zakresie małej prędkości jazdy, jak również doładowywane były

akumulatory energii, bez względu na warunki eksploatacji, co potwierdzają wartości

106

a) b)

c)

a) b)

c)

Rys. 7.10. Natężenie emisji NOx w przedziałach




Rys. 7.9. Natężenie emisji THC w przedziałach




107

natężenia emisji NOx uzyskane w zakresie ujemnego przyspieszenia. Ze względu na

zastosowany układ oczyszczania spalin w autobusie zasilanym CNG, zarejestrowano

maksymalne wartości nie przekraczające 41,2 mg/s, które wystąpiły w zakresie

najmniejszej prędkości przy dodatnim przyspieszeniu.

Pewne wartości stężenia wszystkich analizowanych związków szkodliwych

wystąpiły w zakresie przyspieszenia ujemnego. W pojeździe hybrydowym

spowodowane to było głównie uniezależnieniem pracy jednostki spalinowej od

warunków ruchu, natomiast w pozostałych dwóch autobusach wynikało to różnych

przyczyn, m.in. z charakterystyk przebiegu tras badawczych – np. zmiany wysokości

względnych powodowały, że pojazd zwalniał przy jednoczesnym obciążeniu silnika

spalinowego. Gwałtowane zmiany parametrów pracy także wpływały niekorzystnie na

działanie pozasilnikowych układów oczyszczania spalin. Odnosząc się do natężenia

emisji PM (rys. 7.11), największe wartości uzyskał pojazd konwencjonalny (do

1,12 mg/s) i hybrydowy (do 0,89 mg/s). Na podstawie przedstawionych charakterystyk

można stwierdzić, że jej wielkość dla pierwszego obiektu badawczego zależy głównie

od prędkości, natomiast w przypadku drugiego jest one ściśle związana z uzyskiwanymi

przyspieszeniami. Rozwiązania zastosowane w napędzie hybrydowym skutecznie

pracowały przy małej prędkości autobusu, co miało bardzo duży wpływ na wyznaczone

natężenie emisji PM. W odniesieniu do autobusu zasilanego sprężonym gazem

ziemnym zarejestrowano maksymalne wartości w pojedynczych przedziałach prędkości

i przyspieszenia nie przekraczające 7,5 μg/s.

a) b)

c)

Rys. 7.11. Natężenie emisji PM w przedziałach




108

W celu oceny oddziaływania badanych pojazdów na środowisko naturalne

wyznaczono wartości emisji drogowej badanych związków toksycznych (rys. 7.12).

Otrzymane wyniki prawie we wszystkich przypadkach były większe niż w teście

SORT 2, pomimo osiągnięcia bardzo zbliżonych wartości prędkości średniej.

Spowodowane to jest przede wszystkim charakterystyką trasy nr 2, a także warunkami

drogowymi występującymi podczas badań, m.in. duża liczba zatrzymań, bardzo krótkie

udziały jazdy ze stałą prędkością, kongestie itp. Jedynie emisja drogowa CO autobusu

hybrydowego była mniejsza, niż w znormalizowanym teście jezdnym. Pojazd ten

uzyskał najmniejsze wartości CO oraz THC spośród wszystkich obiektów badawczych.

Natomiast niekorzystnie ukształtowała się jego emisja drogowa NOx (10,24 g/km). Dla

tego związku toksycznego najlepszy wynik 1,26 g/km uzyskał autobus zasilany CNG,

który także osiągnął najkorzystniejszą wartość emisji drogowej PM – 0,31 mg/km.

Rys. 7.12. Emisja drogowa CO, THC, NOx oraz PM wyznaczona z wyników pomiarów na trasie

badawczej nr 2

Ze względu na różne konstrukcje układów napędowych obiektów badawczych,

w kolejnych próbach uzyskano odmienne wartości pracy całkowitej, które odniesiono

do wyznaczonych mas poszczególnych związków szkodliwych (rys. 7.13). Największą

Rys. 7.13. Emisja jednostkowa CO, THC, NOx oraz PM wyznaczona z wyników pomiarów na trasie

badawczej nr 2

109

emisję jednostkową CO uzyskał trzeci obiekt badawczy [2,8 g/(kW·h)], natomiast

autobus konwencjonalny osiągnął mniejszą wartość o 0,03 g/(kW·h). Dla THC

uzyskano podobne emisje jednostkowe, jak podczas pomiarów w teście SORT 2,

największe rozbieżności w tym aspekcie wynoszą maksymalnie 0,09 g/(kW·h). Analiza

wyników pomiarów wskazuje, że podczas badań w warunkach drogowych

obejmujących aglomerację poznańską, uzyskano we wszystkich przypadkach większą

emisję jednostkową PM, niż w teście zdefiniowanym przez UITP. Dla kolejnych

pojazdów oznaczonych ON, HYBRYDA i CNG wyznaczono wartości, odpowiednio:

14,65 mg/(kW·h), 10,97 mg/(kW·h) oraz 0,11 mg/(kW·h).Wyniki emisji jednostkowej

NOx na rozpatrywanej trasie badawczej oraz w teście drogowym SORT 2 osiągnęły

zbliżone wartości dla drugiego i trzeciego obiektu badawczego. Spośród

rozpatrywanych autobusów najkorzystniejszy wynik dotyczący NOx uzyskało

rozwiązania konwencjonalne, gdzie zarejestrowano 1,67 g/(kW·h).

W celu pełnej oceny wskaźników ekologicznych autobusów miejskich,

przedstawiono wyniki drogowej i jednostkowej emisji zanieczyszczeń uzyskane

podczas realizacji pomiarów na trasach badawczych nr 1 i 3. Zestawienie wyników

emisji drogowej wyznaczonej na podstawie badań przeprowadzonych w ścisłym

centrum miasta wskazuje, że dla rozpatrywanej grupy pojazdów wyposażonych

w silniki ZS, wystąpiły znaczne wartości w zakresie CO – większe w stosunku do testu

SORT 1 dla kolejnych obiektów o 7,8% oraz 13,8% (rys. 7.14). Porównując otrzymane

wielkości można również stwierdzić, że istotne zwiększenie wystąpiło dla emisji

drogowej PM (we wszystkich przypadkach o około 50%). Przedstawione wyniki CO,

THC oraz NOx potwierdzają sformułowane tezy, że znaczący wpływ na ich wartości

miały głównie właściwości zastosowanych paliw, a także układy oczyszczania spalin.


badawczej nr 1

Wyznaczona emisja jednostkowa zanieczyszczeń uzyskała podobne tendencje

(rys. 7.15) jak zestawienie emisji jednostkowej. Jednak różnice między poszczególnymi

obiektami badawczymi dla danych związków szkodliwych są mniejsze. Spowodowane

jest to uzyskaniem różnych sumarycznych wartości wykonanej pracy przez kolejne

obiekty badawcze, gdzie największą wartość osiągnął trzeci pojazd zasilany CNG,

110

a najmniejszą rozwiązanie hybrydowe. Spośród wszystkich związków najbardziej

skrajne wyniki wyznaczono w zakresie emisji jednostkowej NOx – największa różnica

między drugim i trzecim pojazdem wyniosła około 6 g/(kW·h).


badawczej nr 1

Wyniki analizy przeprowadzonej dla trasy badawczej nr 3 potwierdzają, że autobusy

osiągają najmniejsze wskaźniki emisji drogowej w warunkach podmiejskiej eksploatacji

(rys. 7.16). Porównując otrzymane wyniki z testem znormalizowanym SORT 3,

wszystkie pojazdy osiągnęły większe wartości emisji drogowej CO (maksymalnie

o 0,76 mg/km), a także THC (maksymalnie o 0,12 mg/km). Podobnie ukształtowały się

wartości emisji drogowej PM wyznaczone dla autobusów z silnikami ZS, natomiast

trzeci obiekt badawczy uzyskał porównywalną wartość w stosunku do testu

znormalizowanego. Odwrotna sytuacja wystąpiła w zakresie emisji drogowej NOx –

autobusy zasilane olejem napędowym uzyskały mniejsze wartości w przeciwieństwie do

rozwiązania wykorzystującego sprężony gaz ziemny.

Analizując wyniki dotyczące masy związków toksycznych odniesione do wykonanej

pracy można stwierdzić, że uzyskane wartości wyznaczone dla rozpatrywanej trasy są


badawczej nr 3

111

mniejsze niż dla trasy badawczej nr 2, za wyjątkiem NOx autobusu oznaczonego CNG

(rys. 7.17). Biorąc pod uwagę wyniki emisji jednostkowej z testu znormalizowanego

SORT 3, w rzeczywistych warunkach eksploatacji uzyskano większe wartości dla

rozpatrywanych składników gazów wylotowych. Bardzo duży wpływ na otrzymane

rezultaty miała praca wykonana przez układy napędowe pojazdów – ich różnice ich

wartości spowodowały, że nie uzyskano dokładnie takich samych tendencji, jak

w zestawieniu emisji drogowej analizowanych zanieczyszczeń.


badawczej nr 3


z pomiarów przeprowadzonych na linii miejskiej

Analiza natężenia emisji badanych zanieczyszczeń przedstawiona w przedziałach

prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia umożliwia poznanie wpływu

parametrów pracy silnika spalinowego na zawartość poszczególnych związków

szkodliwych w gazach wylotowych. Dla autobusu konwencjonalnego największe

natężenie emisji CO wystąpiło w pełnym zakresie zarejestrowanych wartości prędkości

obrotowej przy obciążeniu większym niż 1200 N·m – średnia wartość tego wskaźnika

to 196 mg/s (rys. 7.18). Taki rozkład danych spowodowany był przede wszystkim

charakterystyką silnika, gdzie przy dużych obciążenia wtryskiwana dawka paliwa nie

ulegała dokładnemu wymieszaniu i dochodziło do spalania niezupełnego. W pojeździe

wyposażonym w napęd hybrydowy natężenie emisji CO zależy głównie od

generowanego momentu obrotowego przez jednostkę napędową. W trzecim obiekcie

badawczym wpływ na zawartość rozpatrywanego związku miała przede wszystkim

prędkość obrotowa wału korbowego, a także w mniejszym stopniu obciążenie silnika.

Dla przedziału obejmującego największy moment obrotowy uzyskano średnią wartość

natężenia emisji CO równą 295,2 mg/s.

Charakterystyki natężenia emisji THC w zdefiniowanych przedziałach przedstawiają

podobne zależności (rys. 7.19), jakie uzyskano podczas analizy natężenia emisji CO.

Należy jednak zauważyć, że pojazdy zasilane olejem napędowym uzyskały znacznie

mniejsze wartości (ponad dziesięciokrotnie) w odniesieniu do trzeciego badanego

112

a) b)

c)

a) b)

c)

Rys. 7.18. Natężenie emisji CO w przedziałach

prędkości obrotowej i momentu obrotowego



zasilany CNG

Rys. 7.19. Natężenie emisji THC w przedziałach




zasilany CNG

113

rozwiązania. Dla autobusu konwencjonalnego, z tych samych powodów, które

przytoczono podczas oceny wskaźników ekologicznych obejmujących CO, uzyskano

zwiększone wartości dla THC w przedziale obciążenia większego niż 1200 N·m.

Największe natężenie emisji THC pojazdu zasilanego paliwem alternatywnym

osiągnęło wartość wynoszącą blisko 150 mg/s. Spowodowane to było głównie

procesami zachodzącymi w cylindrach podczas spalania gazu ziemnego, gdzie

produktami są CH4 i NMHC. To niekorzystnie wpłynęło na rozpatrywane wyniki,

ponieważ trójfunkcyjny reaktor katalityczny charakteryzował się niewielkim stopniem

utleniania metanu.

W autobusie konwencjonalnym widoczna jest silna zależność natężenia emisji NOx

od obciążenia silnika (rys. 7.20). Największe wartości rozpatrywanego związku

toksycznego wystąpiły w zakresie momentu obrotowego większego niż 1200 N·m,

gdzie uzyskane średnie natężenie jego emisji osiągnęło 168,6 mg/s. W rozwiązaniu

hybrydowym widoczny jest także znaczący wpływ prędkości obrotowej wału

korbowego na rozpatrywany wskaźnik. W zakresie prędkości obrotowej do około

1400 obr/min wartości NOx nie przekroczyły 140 mg/s, co wynikało z zastosowania

układu elektrycznego w pojeździe. Energia elektryczna gromadzona w akumulatorach

i superkondensatorach skutecznie wspomagała pracę silnika spalinowego. Średnia

natężenia emisji NOx w przedziale prędkości obrotowej większej od 1600 obr/min, dla

obciążenia większego niż 400 N·m wyniosła 267,4 mg/s. Wpływ na uzyskanie tak

dużych wartości miała zastosowana jednostka napędowa, która charakteryzowała się

a) b)

c)

Rys. 7.20. Natężenie emisji NOx w przedziałach




zasilany CNG

114

najmniejszą mocą znamionową spośród wszystkich obiektów badawczych. W autobusie

hybrydowym, ze względu na bardzo dobrą sprawność zastosowanego reaktora

katalitycznego w zakresie redukcji NOx, maksymalne wartości natężenia emisji

analizowanego wskaźnika nie przekroczyły 28 mg/s.

Natężenie emisji PM zarówno autobusu konwencjonalnego, jak i hybrydowego

zależało ściśle od warunków pracy silników spalinowych – maksymalne wartości

zarejestrowano przy największych wartościach obciążenia i prędkości obrotowej,

odpowiednio: 1,44 mg/s oraz 1,18 mg/s (rys. 7.21). Jedną z głównych przyczyn

powstawania PM w badanych obiektach było występowanie niecałkowitego spalania

lokalnie w komorze spalania. Krótki czas mieszania wtryskiwanego oleju napędowego

oraz jego ilość, sprzyjały procesowi wywiązywania się cząstek sadzy, będących

głównym elementem analizowanego związku toksycznego. Charakterystyka pracy

silnika spalinowego o ZI, wraz z zastosowaniem paliwa gazowego w trzecim obiekcie

badawczym, bardzo korzystnie wpłynęła na uzyskane natężenie emisji PM, które nie

przekroczyło 0,005 μg/s.

a) b)

c)

Zestawienie emisji drogowej zanieczyszczeń (rys. 7.24) wskazuje, że wyznaczone

wartości w większości przypadków najbardziej zbliżone były do wyników uzyskany na

trasie badawczej nr 2 oraz w znormalizowanym teście jezdnym SORT 2. Tak jak we

wcześniejszych analizach, istotne różnice wyznaczono między obiektami badawczymi

Rys. 7.21. Natężenie emisji PM w przedziałach




zasilany CNG

115

dla emisji drogowej NOx. Uzyskanie wartości tego wskaźnika wynoszącej 1,15 g/km

przez autobus zasilany gazem ziemnym, było spowodowane zastosowaniem układu

oczyszczania gazów wylotowych o wysokiej sprawności redukcji, który wymaga

utrzymania bliskich wartości stechiometrycznych mieszanki paliwowo-powietrznej.

Dane zarejestrowane z układu diagnostycznego potwierdzają, że wartość współczynnika

nadmiaru powietrza w trakcie testu utrzymywana była najczęściej w przedziale

1,01‒1,1. W zakresie wyznaczonych wskaźników obejmujących CO oraz THC

najmniejsze wartości uzyskano dla autobusu z napędem hybrydowym. Największą

emisję drogową PM osiągnął pojazd konwencjonalny 30,74 mg/(kW·h).

Rys. 7.22. Emisja drogowa CO, THC, NOx oraz PM wyznaczona z wyników pomiarów na linii miejskiej

Porównując otrzymane zestawienie emisji jednostkowej zanieczyszczeń z wynikami

uzyskanymi na trasach badawczych, można stwierdzić, że pojazdy zasilane olejem

napędowym uzyskały najbardziej zbliżone wyniki do trasy badawczej oznaczonej cyfrą

1 w aspekcie NOx (rys. 7.23). Pozostałe wartości związków szkodliwych nie wskazują

jednoznacznie na ścisłe podobieństwo do którejś z tras lub znormalizowanych cykli

SORT jezdnych. Rozwiązanie wspomagania silnika spalinowego przez układ

elektryczny w autobusie hybrydowym, pozwoliło osiągnąć najlepsze rezultaty

Rys. 7.23. Emisja jednostkowa CO, THC, NOx oraz PM wyznaczona z wyników pomiarów na

linii miejskiej

116

w odniesieniu do wskaźników obejmujących CO oraz THC. Natomiast autobus

z silnikiem ZI dla pierwszego z wymienionych związków osiągnął ponad 2-krotnie

większy wynik, a dla drugiego aż 8-krotnie. W zakresie emisji jednostkowej PM było

odwrotnie – pojazd zasilany CNG charakteryzował się ponad 100-krotnie mniejszymi

wartościami określonymi dla tego wskaźnika w stosunku do drugiego autobusu.

7.5. Współczynniki emisji jednostkowej zanieczyszczeń wyznaczone na

podstawie badań drogowych i dopuszczalnych wartości

homologacyjnych

Na podstawie uzyskanych wyników emisji jednostkowej związków szkodliwych

możliwe jest odniesienie ich wartości do normy emisji spalin, którą spełniają obiekty

badawcze (Euro V–EEV). W tym celu należy wyznaczyć współczynnik emisji kj, tak

jak wykonano to w pracach [47 i 55]. Ponieważ autobus zasilany paliwem

alternatywnym CNG uzyskał znaczące wartości emisji jednostkowej CO spośród

wszystkich badanych składników gazów wylotowych w odniesieniu do wytycznych

legislacyjnych, natomiast dla pojazdów z silnikami ZS sytuacja taka wystąpiła

w aspekcie NOx, przeprowadzone rozważania objęły te dwa związki toksyczne.

Wskaźnik emisji definiowany jest ilorazem:

j dop,

j rzecz,

je

ek (7.1)

gdzie: j – związek toksyczny, dla którego wyznaczono wskaźnik emisji,

erzecz, j – emisja jednostkowa wyznaczona z badań drogowych [g/(kW·h)],

edop, j – dopuszczalna emisja jednostkowa zgodnie z Euro V–EEV [g/(kW·h)].

Obliczenia dotyczące wyznaczania współczynników kCO oraz kNOx zostały

przeprowadzone zgodnie ze wzorem 7.1, gdzie w mianowniku podstawiono wartości

dopuszczalne dla testu dynamicznego ETC (Euro V–EEV). Na podstawie wskaźników

dotyczących emisji jednostkowej CO (rys. 7.24) można stwierdzić, że pojazd

Rys. 7.24. Współczynniki emisji kCO wyznaczone na podstawie pomiarów w warunkach drogowych

i limitów emisji spalin Euro V–EEV

117

o napędzie konwencjonalnym w teście SORT 1 oraz na trasie badawczej nr 1, uzyskał

wartości większe od 1, co oznacza, że przekroczono limity zawarte w wytycznych

legislacyjnych. Dla autobusu hybrydowego we wszystkich cyklach pomiarowych

obliczone wskaźniki kCO mieściły się w przedziale 0,14–0,85. Trzeci obiekt badawczy

czterokrotnie uzyskał wartości większe od 1 (maksymalnie 1,68 dla testu SORT 1).

Odnosząc się do współczynników kNOx można stwierdzić, że najmniejsze wartości

wyznaczono dla autobusu zasilanego sprężonym gazem ziemnym i zawierały się one

w przedziale 0,16–0,32 (rys. 7.25). Podczas badań pojazdu konwencjonalnego

zasilanego ON przekroczono limity emisji spalin w znormalizowanych testach jezdnych

SORT 1 i SORT 2, na trasie badawczej nr 1, a także na linii miejskiej. Największe

wartości wskaźnika kNOx (od 1,76 do 3,36) wyznaczono dla autobusu hybrydowego, we

wszystkich analizowanych cyklach badawczych. Na taki rozkład wyników główny

wpływ miały wykorzystane systemy oczyszczania spalin umieszczone w układach

wylotowych silników. W pierwszym i drugim badanym autobusie zastosowany układ

SCR nie redukował NOx w sposób ciągły, ale stopień konwersji zależał od wielu

czynników, m.in. masowego natężenia przepływu spalin oraz ich temperatury.

Rys. 7.25. Współczynniki emisji kNO

x wyznaczone na podstawie pomiarów w warunkach drogowych

i limitów emisji spalin Euro V–EEV

Wartości jednostkowej emisji zanieczyszczeń w testach homologacyjnych

wyznaczane są przy wykorzystaniu parametrów pracy silnika netto, mierzonych na

końcu wału korbowego lub jego odpowiednika. W rzeczywistych warunkach

eksploatacji opory własne jednostki spalinowej uwzględniono w sposób procentowy –

określona wartość dla całego zakresu prędkości obrotowej. Należy jednak zaznaczyć, że

jest to pewne uproszczenie mające wpływ na końcowe wyniki badań. W publikacji [15]

wykazano, że rozbieżności między rzeczywistym momentem obrotowym, a odczytami

z systemu diagnostycznego pojazdu sięgają od kilku do kilkudziesięciu procent

w zależności od warunków pracy silnika spalinowego. Określenie rzeczywistych

wartości obciążenia wymaga zastosowania metody badań obejmującej pomiar momentu

obrotowego na wyjściu z silnika za pomocą np. tensometrów lub przeprowadzenie

pomiarów na stanowisku hamownianym i opracowanie zależności matematycznych,

118

indywidualnych dla każdego rozpatrywanego obiektu. Całkowite pominięcie tego

problemu w pomiarach jednostkowej emisji zanieczyszczeń, podczas rzeczywistej

eksploatacji, może skutkować znaczącymi błędami mającymi istotne znaczenie przy

ocenie ekologiczności pojazdu.

7.6. Zużycie paliwa obliczone na podstawie badań drogowych

Jedne z największych kosztów w przedsiębiorstwach komunikacyjnych, które

obsługują autobusy miejskie, związane są z zakupem, obsługą i eksploatacją

rozpatrywanej grupy pojazdów. Istotne znaczenie mają nakłady ponoszone na paliwo.

Zmniejszenie zużycia paliwa nawet o niewielką wartość w przeliczeniu np. na 100 km,

przy taborze składającym się z dużej liczby autobusów, w bilansie ekonomicznym

przynosi znaczne oszczędności. W związku z tym w procedurach przetargowych

uwzględniane są wskaźniki zużycia paliwa obliczone dla różnych warunków

eksploatacji – często są to testy jezdne SORT, szczególnie test nr 2. Ponadto, w celu

zmniejszenia wydatków eksploatacyjnych, kierowcy zatrudnieni w przedsiębiorstwach

komunikacyjnych często są doszkalani w zakresie techniki jazdy (eco-drivingu). Oprócz

aspektu ekonomicznego, unowocześnianie i efektywniejsza eksploatacja taboru,

przyczynia się do poprawy stanu środowiska w aglomeracjach miejskich, szczególnie

w centrach miast.

Uzupełnieniem przeprowadzonych do tej pory rozważań jest ocena zużycia paliwa

obiektów badawczych w rozpatrywanych testach pomiarowych. W celu określenia

konkretnych wartości wykorzystano metodę bilansu węgla, uwzględniającą wyniki

emisji drogowej składników szkodliwych spalin. Pozwala to bardzo dokładnie obliczyć

objętość zużytego paliwa odniesioną do określonego dystansu (100 km). Możliwe jest

także wykorzystanie danych z pokładowego systemu diagnostycznego lub sposobu

związanego z litrażowaniem, jednak te rozwiązania obarczone są pewnymi błędami.

W metodzie bilansu węgla dla pojazdów zasilanych olejem napędowym wzór

obliczeniowy przyjmuje następującą postać:

)]CO(0,273CO)(0,429THC)[(0,866ρ

0,1155FC 2

pal

(7.2)

gdzie: FC – zużycie paliwa w [dm3/100 km],

THC, CO, CO2 – emisja drogowa związków szkodliwych [g/km],

ρpal – gęstość paliwa w 15°C [g/cm3].

Dla sprężonego gazu ziemnego obliczenia wykonuje się zgodnie z zapisem, przy czym

wyznaczane zużycie paliwa wyrażone jest w m3/100 km:

)]CO(0,273CO)(0,429THC)[(0,749ρ

0,1336FC 2

pal

(7.3)

Do obliczeń zgodnych z wzorami (7.2) i (7.3) wykorzystano dane dotyczące emisji

drogowej CO i THC uzyskane w badaniach przedstawionych w rozdz. 6. Ponadto

119

konieczne było wyznaczenie emisji drogowej CO2 z pomiarów w testach jezdnych

SORT, na trasach badawczych, a także linii miejskiej. Zestawienie otrzymanych

wartości przedstawiono na rys. 7.26. Emisja drogowa CO2 zależy w znacznym stopniu

od zużycia paliwa, a więc zapotrzebowania energetycznego pojazdu do pokonania

określonej trasy. W związku z tym, na uzyskane wyniki bezpośredni wpływ miały

warunki występujące podczas eksploatacji autobusów. Największe wartości uzyskano

w teście SORT 1 oraz na trasie badawczej nr 1, które dotyczą eksploatacji w ścisłym

centrum aglomeracji miejskiej. Spośród analizowanych obiektów badawczych,

największa emisja drogowa rozpatrywanego związku szkodliwego rejestrowana była

dla autobusu zasilanego sprężonym gazem ziemnym, natomiast najmniejsza podczas

badań rozwiązania hybrydowego.

Rys. 7.26. Emisja drogowa CO2 autobusów miejskich wyznaczona na podstawie pomiarów w warunkach

drogowych

Zestawienie otrzymanych wartości przebiegowego zużycie paliwa wskazuje, że

spośród pojazdów zasilanych olejem napędowym, najmniejsze wartości osiągnięto dla

autobusu wyposażonego w napęd hybrydowy (rys. 7.27). Wykorzystanie możliwości

silników elektrycznych i układów magazynowania energii przyczyniło się do uzyskania

dużej efektywności rozwiązania, mimo zastosowania silnika o najmniejszej mocy

znamionowej. Szczególnie widoczne to było na trasach nr 1, 3 oraz na linii miejskiej,

gdzie w odniesieniu do rozwiązania konwencjonalnego różnice wyniosły, odpowiednio,

10,5%, 12,6% oraz 12,8%. We wszystkich rozpatrywanych testach przebiegowe

zużycie paliwa średnio było mniejsze dla pojazdu hybrydowego o 9,5%. Na podstawie

otrzymanych wyników z obliczeń przeprowadzonych dla autobusu zasilanego

sprężonym gazem ziemnym można stwierdzić, że w kolejnych znormalizowanych

testach SORT oraz na trasach badawczych zapotrzebowanie na paliwo malało. Podobne

trendy uzyskano dla pierwszego i trzeciego obiektu badawczego. Ponadto wyznaczone

wielkości są zbieżne z tendencjami, które wystąpiły w zakresie emisji drogowej CO2, ze

względu na istotny udział tego czynnika w bilansie węgla.

Przeprowadzone analizy badań wykonanych w warunkach drogowych, mogą być

wykorzystywane do oceny eksploatacyjnych wskaźników ekonomicznych autobusów

120

Rys. 7.27. Przebiegowe zużycie paliwa wyznaczone metodą bilansu węgla na podstawie pomiarów

w warunkach drogowych

miejskich. Koszty ponoszone bezpośrednio na transport osób lub ładunków stanowią

w przedsiębiorstwach komunikacyjnych precyzyjnie wyznaczone wartości związane

z konkretnym procesem (w danym czasie oraz warunkach) i kwalifikowane są jako

koszty transportu [6]. Wśród wydatków eksploatacyjnych istotne znaczenie mają koszty

paliwa, na którego ostateczną cenę wpływa bardzo wiele czynników; są to np.:

lokalizacja, wielkość zamówień, jakość towaru, specyfikacja umowy między dostawcą

a odbiorcą, opłata paliwowa, podatek VAT, marża, akcyza, parytet, a także koszty

produkcji. Udział poszczególnych składników jest bardzo różny i zmienia się

w zależności od wielu czynników m.in. aktualnego stanu aktów prawnych, sytuacji

ekonomicznej, a nawet politycznej państw, kursów walut, strategii cenowej hurtowni

oraz sprzedawców detalicznych itp. [68].

W celu wskazania najbardziej ekonomicznego rozwiązania wśród wszystkich

badanych obiektów, wykonano symulację dotyczącą kosztów zużycia paliwa przez

poszczególne pojazdy podczas badań na linii miejskiej (rys. 7.28). Jednoznaczne

wskazanie cen paliw uśrednionych dla pewnego okresu czasu jest bardzo trudne, co

Rys. 7.28. Porównanie kosztów przejechania 100 km w warunkach eksploatacji obejmujących badania na

linii miejskiej (w nawiasie wyrażono względny koszt zużycia paliwa)

121

wynika z wcześniej przytoczonych czynników. W związku z tym przyjęto średnią cenę

1 dm3 ON i 1 m

3 CNG w aglomeracji poznańskiej z pierwszego tygodnia sierpnia

2015 r., które wyniosły odpowiednio: 4,56 zł oraz 3,29 zł [96, 99]. Zestawienie kosztów

wskazuje, że najtańsza jest eksploatacja autobusu zasilanego paliwem alternatywnym.

Zbliżony wynik uzyskał pojazd z napędem hybrydowym, natomiast największy koszt

osiągnęło rozwiązanie konwencjonalne. W porównaniu względnym, przyjmując jako

100% wartość obliczoną dla obiektu oznaczonego ON, różnice dla kolejnych autobusów

wyniosły 13,5% oraz 15,6%.

Zgodnie z założeniami pracy [19] średnioroczny przebieg osiemnastometrowego

autobusu miejskiego wynosi w przybliżeniu 75 000 km (z uwzględnieniem obciążeń

linii występujących w dni robocze, soboty i święta). W uproszczonym bilansie

ekonomicznym, przy tak znaczących dystansach i wyznaczonych różnicach kosztów

paliwa, zdecydowanie opłacalne staje się odejście od konwencjonalnych napędów

z silnikami spalinowymi ZS i zastąpienie taboru pojazdów rozwiązaniami hybrydowymi

oraz wykorzystującymi do zasilania sprężony gaz ziemny. Jednak w pełnym bilansie

ekonomicznym należy uwzględnić inne czynniki, związane np.: z obsługą, konserwacją

i przeglądami technicznymi, dostosowaniem infrastruktury (stacje tankownia CNG,

stacje ładowania akumulatorów), długoterminowymi zmianami cen paliw, a przede

wszystkim zakupem samych pojazdów – obecnie autobusy konwencjonalne są

w przybliżeniu tańsze o 35% w porównaniu do rozwiązań alternatywnych (przy

zachowaniu kryteriów podobnej funkcjonalności).

122

8. Emisja jednostkowa zanieczyszczeń wyznaczona w aspekcie

obecnie obowiązujących przepisów dotyczących zgodności

w eksploatacji pojazdów ciężkich

W celach poznawczych wyznaczono jednostkową emisję zanieczyszczeń gazowych

CO, THC oraz NOx odnosząc się do Rozporządzenia UE 582/2011 [70], które dotyczy

grupy pojazdów ciężkich o kategorii emisyjnej Euro VI. Działanie takie pozwala

sprawdzić, czy uzyskane tą metodą wartości odpowiadają wynikom uzyskanym

z wykorzystaniem wszystkich danych zarejestrowanych podczas całego testu. Należy

jednak zaznaczyć, że żaden z obiektów nie spełniał normy Euro VI, w związku z czym

konieczne było przyjęcie i wprowadzenie do rozpatrywanej procedury pewnych

założeń. Analizy dokonano według pierwszej metody (opisanej w rozdz. 3.2):

z wykorzystaniem okien pomiarowych ustalonych dla pracy referencyjnej. Nie

posłużono się algorytmem metody drugiej, ponieważ nie była znana sumaryczna masa

CO2 wytworzona przez silniki spalinowe rozpatrywanych pojazdów w testach

laboratoryjnych. Ponadto podczas realizacji obliczeń odniesiono się nie tylko do testu

WHTC, ale również testu ETC. Przedstawione rozważania ograniczono do autobusu

wyposażonego w napęd hybrydowy, gdyż warunki pracy zastosowanego w nim silnika

spalinowego były najkorzystniejsze w aspekcie wyznaczania okien pomiarowych.

Podczas opracowywania przebiegu trasy badawczej nr 4 założono (rozdz. 4.3), że

będzie się ona składała z dróg o charakterze miejskim i podmiejskim, gdzie wystąpi

możliwość uzyskiwania znacznych prędkości (powyżej 50 km/h, tzn. 13,89 m/s).

Jednak podczas realizacji badań drogowych nie udało się spełnić warunku opisanego

w [70] stanowiącego o ich udziale. Aby pomiar był zgodny z normą, konieczne było

osiągnięcie udziałów prędkości dla warunków miejskich o wartości 70% oraz

pozamiejskich 30% z dokładnością ±5%, natomiast w rozpatrywanym teście otrzymano,

odpowiednio, 95,2% i 4,8%. Uzyskana średnia wartość prędkości dla zarejestrowanego

przejazdu (rys. 8.1) wyniosła 7,26 m/s i była najbardziej zbliżona w tym aspekcie do

znormalizowanego testu podmiejskiego SORT 3 (7,31 m/s). Wpływ na to miały przede

wszystkim lokalne warunki drogowe oraz kongestie. Analizując obecną strukturę dróg

Rys. 8.1. Przebieg prędkości autobusu z napędem hybrydowym na trasie badawczej nr 4 z naniesioną

średnią prędkością testu drogowego SORT 3

123

w aglomeracji poznańskiej i jej okolicach, trudno jest wyznaczyć jednoznaczny

przebieg trasy, która pozwoliłaby spełnić wymogi obecnie obowiązującej normy.

Wykorzystanie odcinka autostrady w pomiarach pozwoliłoby zwiększyć udział

prędkości pozamiejskich, jednak przeczyłoby to idei odzwierciedlania warunków

codziennej eksploatacji autobusów miejskich.

Na podstawie parametrów pracy odczytanych i zarejestrowanych z systemu

diagnostycznego CAN, obliczono, że całkowita praca w cyklu badawczym wykonana

przez silnik spalinowy wyniosła 160,4 kW·h. Wartość ta spełnia wymagania

Rozporządzenia 582/2011, ponieważ jest blisko dziewięciokrotnie większa niż w teście

WHTC (norma wymaga uzyskania co najmniej pięciokrotności). W odniesieniu do testu

dynamicznego ETC obowiązującego dla Euro V, uwzględnionego na potrzeby

rozprawy, osiągnięto wynik ponad pięć razy większy. Charakterystyka jednostki

spalinowej oraz współpraca z elementami napędu hybrydowego spowodowały, że

uzyskany rozkład punktów pracy miał specyficzny przebieg – widoczne są zagęszczenia

punktów dla określonych wartości prędkości obrotowej wału korbowego (rys. 8.2).

Maksymalny moment obrotowy (około 1000 N·m) wystąpił w ograniczonym zakresie

prędkości obrotowej (1600 obr/min; 1700 obr/min, natomiast dla przedziału

(2000 obr/min; 2100 obr/min) największe wartości obciążenia wynosiły około 950 N·m.

Rys. 8.2. Punkty pracy silnika spalinowego zastosowanego w autobusie hybrydowym podczas badań na

trasie badawczej nr 4

Ze względu na specyfikę ruchu miejskiego trudno jest uzyskać udział 50% ważnych

okien pomiarowych, dla warunku aby w oknie ważnym uzyskać wartość 20% Nemax

(rys. 8.3). Z tego powodu konieczne było zmniejszanie tej wartości po 1% zgodnie

z procedurą opisaną w [70]. W aspekcie testu ETC możliwość oceny zanieczyszczeń

wystąpiła dla średniej mocy w oknie pomiarowym wynoszącej 17% Nemax (35,5 kW),

natomiast odnosząc się do WHTC ważne okna wystąpiły od 18% Nemax (37,6 kW).

W obecnie obowiązującym dynamicznym teście homologacyjnym występuje mniejsze

obciążenie silnika i generowana jest mniejsza praca całkowita, co wpływa korzystnie na

możliwość wyznaczania rozpatrywanych przedziałów pomiarowych. Należy również

zaznaczyć, że jednostka zastosowana w autobusie hybrydowym działała w mniejszym

124

a) b)

Rys. 8.3. Udziały ważnych okien pomiarowych w zależności od średniej mocy okna [%Nemax] w testach:

a) ETC, b) WHTC

zakresie w obszarze biegu jałowego, co było przedstawione w rozdziale 5, a więc przy

obliczaniu średniej mocy w oknach pomiarowych jest to najlepsze rozwiązanie.

Natomiast dla napędu konwencjonalnego, gdzie parametry pracy silnika zależą ściśle od

warunków ruchu pojazdu jest to trudne, a czasem niemożliwe, ze względu na większy

czas pracy w zakresie najmniejszego obciążenia i prędkości obrotowej wału korbowego

związanej z eksploatacją w warunkach miejskich.

Wyznaczone emisje jednostkowe zanieczyszczeń gazowych wskazuje, że uzyskane

wartości w aspekcie Rozporządzenia UE 582/2011 są mniejsze niż podczas całego

cyklu pomiarowego (rys. 8.4). Zgodnie z [70] realizacja pomiarów na trasie badawczej

nr 4 nie była przerywana, a analizie poddano kompletny zbiór zarejestrowanych danych.

Na potrzeby pracy określono współczynnik zgodności eksploatacji autobusu, przy czym

w obliczenia zgodnych ze wzorem 3.12 odniesiono się do normy Euro V–EEV,

ponieważ zgodnie z nią były homologowane obiekty badawcze. Uśrednione wyniki dla

kolejnych szkodliwych składników gazowych wyniosły: CFCO = 0,45, CFTHC = 0,4 oraz

CFNOx = 2,16. W zakresie CO i THC uzyskano ponad 90% wartości mniejszych niż 1,5;

natomiast dla NOx uzyskano zaledwie 32,4% okien spełniających ten warunek.

Parametry pracy silnika spalinowego sprzyjały wyznaczaniu okien pomiarowych, gdyż

eksploatowany był on w bardzo ograniczonym zakresie na biegu jałowym. Najmniejsze

wskaźniki emisji zanieczyszczeń uzyskano w oknach zdefiniowanych na podstawie

testu WHTC, co wynikało z ich krótszego czasu trwania.

Rys. 8.4. Emisja jednostkowa CO, THC, NOx oraz CO2 wyznaczona z badań na trasie badawczej nr 4 dla

całego przejazdu oraz w oknach pomiarowych zdefiniowanych na podstawie testów ETC i WHTC

125

9. Podsumowanie

Ogólna charakterystyka wyników pracy

Ze względu na wielkość populacji autobusów miejskich oraz moce ich układów

napędowych, mają one istotne wpływ na jakość środowiska w aglomeracjach, gdzie

występują duże skupiska ludzi. Warunki eksploatacji rozpatrywanej grupy pojazdów są

specyficzne ze względu m.in. na charakter realizowanej trasy komunikacyjnej,

obciążenie linii oraz liczbę przystanków i mają one bezpośredni wpływ na warunki

pracy stosowanych w nich układów napędowych. W niniejszej dysertacji obiekty

badawcze stanowiły osiemnastometrowe autobusy miejskie wyposażone w trzy rodzaje

układów napędowych. Przedstawione badania drogowe obejmowały testy jezdne

SORT, cztery specjalnie przygotowane trasy w aglomeracji poznańskiej i jej okolicach

oraz pomiary na linii miejskiej. Na podstawie opracowanej metodyki, wykonanych prac

badawczych i zaprezentowanych analiz można stwierdzić, że osiągnięto cel rozprawy.

Określono wpływ parametrów ruchu autobusów miejskich i zastosowanych układów

napędowych na drogową i jednostkową emisję związków szkodliwych oraz wskazano

różnice między procedurami homologacyjnymi, a rzeczywistą eksploatacją w aspekcie

charakterystyki pracy silników spalinowych rozważanej grupy pojazdów.

Z wykorzystaniem charakterystyk udziału czasu pracy obiektów badawczych

i natężenia emisji zanieczyszczeń, opracowanych z uwzględnieniem specjalnych

założeń dla autobusów miejskich, wykazano że największy udział w ruchu tych

pojazdów stanowi postój (od 8,5% do 39% w ścisłym centrum aglomeracji). Najczęściej

występujące wartości przyspieszenia zawierały się w przedziałach –0,8 m/s2; 0 m/s

2)

i (0 m/s2; 0,8 m/s

2 dla prędkości jazdy z zakresu (0 m/s; 14 m/s. Niewielkie udziały

czasu pracy zarejestrowano dla ruchu jednostajnego. W aspekcie warunków pracy

silników spalinowych stwierdzono, że najbardziej znaczące są przedziały opisujące

prędkość obrotową wału korbowego na biegu jałowym do 800 obr/min i obciążenia

nieprzekraczającego 200 N·m, dla których uzyskano 13–42,5% udziału czasu pracy.

Należy zaznaczyć, że mniejsze wartości tego parametru wystąpiły dla autobusu

z hybrydowym układem napędowym (silnik spalinowy pracował w obszarze większej

sprawności). Tylko w tym rozwiązaniu wystąpił większy czas pracy w pojedynczych

przedziałach poza przytoczonym zakresem. Ze względu na coraz częstsze stosowanie

znormalizowanych cykli jezdnych w badaniach pojazdów, wyznaczono różnice

w opracowanych charakterystykach dla testów SORT i pomiarów drogowych.

Odnosząc się do tez pracy i uzyskanych wyników można stwierdzić:

1. W warunkach eksploatacji miejskiej najkorzystniejszym rozwiązaniem układu

napędowego w aspekcie emisji drogowej i jednostkowej CO, THC, a także emisji

drogowej CO2 jest rozwiązanie hybrydowe. W zakresie wskaźników ekologicznych

dotyczących NOx oraz PM najmniejszymi wartościami charakteryzuje się pojazd

zasilany sprężonym gazem ziemnym. Na podstawie przeprowadzonych badań

stwierdza się, że największe różnice między otrzymanymi wynikami pomiarów

wystąpiły dla drogowej i jednostkowej emisji THC oraz PM, przyjmując jako

odniesienie (100%) wartości wyznaczone dla autobusu miejskiego wyposażonego

w konwencjonalny układ napędowy (tab. 9.1).

126

Tab. 9.1. Porównanie względnej drogowej i jednostkowej emisji zanieczyszczeń

Związek

szkodliwy

Autobus

konwencjonalny

zasilany ON

[%]

Autobus

hybrydowy

[%]

Autobus

zasilany CNG

[%]

Drogowa emisja zanieczyszczeń

CO

100

zmniejszenie o 19,8–41,2 zwiększenie o 12–115,9

THC zmniejszenie o 14,7–40,6 zwiększenie o 312,5–680

NOx zwiększenie o 19,6–137 zmniejszenie o 70,8–92,2

CO2 zmniejszenie o 6,8–13,3 zwiększenie o 2,6–13,2

PM zmniejszenie o 15–39,6 zmniejszenie o 98,8–99,6

– Jednostkowa emisja zanieczyszczeń

CO

100

zmniejszenie o 15,3–38 zwiększenie o 1,1–115,9

THC zmniejszenie o 13–39,2 zwiększenie o 319–682

NOx zwiększenie o 19,6–149,7 zmniejszenie o 70,6–92,2

PM zmniejszenie o 9–32,8 zmniejszenie o 99–99,6

2. Biorąc pod uwagę warunki pracy silników spalinowych wyznaczone w testach

homologacyjnych oraz w rzeczywistych warunkach eksploatacji można stwierdzić,

że występują między nimi znaczne rozbieżności. Dla testu ETC, obowiązującego dla

obiektów badawczych, największe różnice osiągane są w zakresie prędkości

obrotowej biegu jałowego. Zbyt duży jest udział czasu pracy w przedziale większym

niż 40% maksymalnej prędkości obrotowej w pełnym zakresie obciążenia. Test

WHTC jest w większym stopniu zbliżony do warunków rzeczywistej eksploatacji,

jednak całkowite pole pracy uzyskiwane podczas jego realizacji jest znacznie

większe niż w ruchu drogowym, szczególnie dla maksymalnego momentu

obrotowego silnika.

Odnosząc uzyskane wyniki mierzonych związków szkodliwych gazów wylotowych

do norm, które spełniały badane pojazdy, wyznaczono współczynniki emisji (kj), co

pozwoliło wskazać jaki stosunek mają wyniki uzyskiwane w pomiarach drogowych do

wytycznych legislacyjnych. W celu uzupełnienia analiz wykonanych w pracy,

przeprowadzono obliczenia zużycia paliwa metodą bilansu węgla. Uwzględniając

właściwości oleju napędowego i gazu ziemnego stwierdzono, że najmniejsze wartości

osiągnął autobus hybrydowy. Zastosowanie silników elektrycznych i układów

magazynowania energii pozwoliło uzyskać dużą efektywność rozwiązania, pomimo

zastosowania silnika o najmniejszych parametrach znamionowych. Ze względu na

obecnie obowiązujące przepisy Euro VI wykonano analizy, z wykorzystaniem pewnych

założeń, w aspekcie procedury zawartej w Rozporządzeniu UE 582/2011 (odnoszącej

się do badań drogowych). Przedstawione rozważania wskazują, że wskaźniki uzyskane

zgodnie z metodą wyznaczania okien pomiarowych są inne (wartości emisji

jednostkowej zanieczyszczeń są mniejsze), niż w ujęciu całego cyklu badawczego.

Wnioski szczegółowe

Analizy wykonane na podstawie badań w rzeczywistych warunkach eksploatacji

autobusów miejskich uzupełnione rozważaniami, dotyczącymi dynamicznych testów

127

homologacyjnych silników stosowanych w grupie pojazdów ciężkich, umożliwiły

sformułowanie ważniejszych wniosków szczegółowych:

1. W rozprawie opracowano autorską metodykę badań w warunkach drogowych

umożliwiającą dokonanie oceny wskaźników ekologicznych autobusów miejskich.

2. Do realizacji analiz wyników pomiarów wykorzystano metodę wyznaczania

charakterystyk udziałów czasu pracy i natężenia emisji zanieczyszczeń uzupełnioną

autorskimi założeniami, opracowanymi dla rozpatrywanej grupy pojazdów.

3. Trzeci profil testu SORT 3 wymaga utrzymywania dużego przyrostu prędkości

większego niż 12 m/s, w związku z tym jest on trudny do realizacji dla dużych,

przegubowych autobusów miejskich – obiekty badawcze ze względu na konstrukcję

oraz masę nie utrzymywały zakładanych parametrów ruchu.

4. Analizy testów wykonanych na trasach badawczych 1–3, podobnych do testów

SORT w aspekcie m.in. prędkości średniej i charakteru warunków eksploatacji,

wraz z wynikami uzyskanymi podczas badań na linii miejskiej w ujęciu parametrów

pracy pojazdów i silników spalinowych pozwalają stwierdzić, że:

W warunkach rzeczywistych uzyskiwane były znacznie większe pola pracy na

charakterystykach odnoszących się do ruchu pojazdu (średnio o 69,8%) i silnika

spalinowego (średnio o 60,3%) – świadczy to o znacznym uproszczeniu testów

jezdnych SORT, w których postawione są zbyt małe wymaganie eksploatacyjne.

Na charakterystykach udziału czasy pracy pojazdów, wyznaczone różnice między

testem jezdnym SORT, a warunkami rzeczywistymi, w zakresie postoju wyniosły

średnio 7,3%. W aspekcie zależności uwzgledniających parametry pracy silników

spalinowych – dla najmniejszych wartości obciążenia oraz prędkości obrotowej

biegu jałowego uzyskano średnią różnicę wynoszącą 6,2%.

Podczas badań na linii miejskiej nie uzyskano dla żadnego obiektu badawczego

średniej prędkości, odpowiadającej któremukolwiek z testów SORT. W związku

z tym, na podstawie charakterystyki i założeń znormalizowanych cykli jezdnych,

analizy pomiarów dokonano uwzględniając SORT 2.

Układy napędowe pojazdów generowały największe wartości pracy do pokonania

trasy w centrum miasta (na linii miejskiej), natomiast najmniejsze – w warunkach

podmiejskich. Spośród wszystkich obiektów badawczych, pojazd hybrydowy

uzyskiwał minimalne wartości energii całkowitej we wszystkich testach.

Maksymalną pracę na trasach badawczych nr 1 i 2 osiągnął autobus zasilany

CNG, a w pozostałych testach – pojazd konwencjonalny zasilany ON.

5. Dynamiczne testy homologacyjne przewidują inne warunki pracy silnika niż

występują podczas rzeczywistej eksploatacji (na linii miejskiej):

Pole pracy w teście ETC jest większe średnio o 47,7%, natomiast w teście WHTC

o 53,4%. Najbardziej zbliżone ich wielkości uzyskano dla pojazdu hybrydowego,

co było skutkiem współpracy jednostki spalinowej z silnikiem elektrycznym.

Największe różnice dla pojedynczych przedziałów udziału czasu pracy dla testu

ETC wyniosły 24,6%, a dla testu WHTC – 16%. W cyklach homologacyjnych

silniki spalinowe w obszarze biegu jałowego i najmniejszego obciążenia uzyskały

średnio o 22% oraz 12,3% mniejsze udziały czasu pracy.

128

Test WHTC wymaga wykonania mniejszej pracy przez silnik podczas jego

realizacji, niż test ETC o około 41%.

6. Na podstawie badań drogowych wyznaczono wpływ poszczególnych parametrów

pracy pojazdów (prędkość i przyspieszenie) oraz silników spalinowych (moment

obrotowy i prędkość obrotowa) na wielkość natężenia emisji zanieczyszczeń.

7. Emisja zanieczyszczeń CO i NOx może być większa w warunkach drogowych, niż

wartość dopuszczalne obowiązujące w normie Euro V–EEV (nie dotyczy to pojazdu

zasilanego CNG w zakresie drugiego z wymienionych związków toksycznych).

Szczególnie istotne jest to podczas eksploatacji autobusów w miastach.

8. Warunki eksploatacji mają istotny wpływ na wielkość emisji zanieczyszczeń: mała

prędkość średnia, długi czas zatrzymania i duża częstotliwość występowania tego

procesu, wpływają niekorzystnie na uzyskiwane wskaźniki ekologiczne.

9. Procedura UE 582/2011 może być często niemożliwa do realizacji w badaniach

autobusów miejskich, ze względu na udział prędkości obejmujących warunki

pozamiejskiej eksploatacji.

10. Eksploatacja autobusu w warunkach miejskich charakteryzuje się znaczną

różnorodnością i przypadkowością, co jest spowodowane m.in. natężeniem ruchu

oraz infrastrukturą drogową. To ma bezpośredni wpływ na warunki pracy

zastosowanych silników spalinowych w autobusach miejskich i ich emisję

zanieczyszczeń, jednak w rozwiązaniu hybrydowym zależności te są mniejsze.

11. Ze względu na sposób wyznaczania momentu obrotowego w systemie CAN,

konieczne jest uwzględnianie obciążeń związanych z oporami własnymi silników

spalinowych w pracach badawczych dotyczących autobusów miejskich.

Proponowane kierunki dalszych prac

Wyznaczone charakterystyki i zależności, uzupełnione danymi odnoszącymi się do

warunków badań homologacyjnych, mogą być bardzo przydatne do prowadzenia

różnego rodzaju prac rozwojowych. Chodzi tutaj między innymi o modyfikację

elementów układów napędowych, np. dobór skrzyń przekładniowych. Mogą być także

użyteczne podczas doboru silnika spalinowego do konkretnej konstrukcji autobusu lub

wybrania najlepszego pojazdu do określonej linii miejskiej. Ponadto otrzymane

informacje mogą być aplikowane przy tworzeniu nowych testów badawczych,

opracowaniu ujednoliconego sposobu pomiarów autobusów w warunkach drogowych,

a także modyfikacji obecnie obwiązujących testów homologacyjnych. Uzyskane wyniki

badań motywują do realizacji dalszych prac badawczych obejmujących grupę

autobusów miejskich. W związku z tym sformułowano kierunki dalszych działań:

1. Opracowanie sposobu homologacji autobusów miejskich z wykorzystaniem badań

w rzeczywistych warunkach eksploatacji.

2. Przygotowanie propozycji zmian procedury dotyczącej kontroli zgodności

w eksploatacji obowiązującej dla normy Euro VI.

3. Wyznaczenie zależności między momentem obrotowym netto generowanym przez

silnik na końcu wału korbowego, a odczytami z systemu diagnostycznego CAN.

4. Badania emisji cząstek stałych w rzeczywistych warunkach eksploatacji autobusów

miejskich dotyczące ich liczby oraz rozkładu wymiarowego.

129

Literatura

[1] Almén J.: Swedish In-Service Testing Programme 2010 on Emissions from

Heavy-Duty Vehicles. AVL Sweden Certification & Regulation Compliance,

Södertälje 2010.

[2] Association for Emissions Control by Catalyst (AECC): Workshop on Clean Air

and Real Driving Emissions. Materiały konferencyjne: Instytut Transportu

Samochodowego w Warszawie, 8.07.2014.

[3] AVL: Emissions Test Instruments. Micro Soot Sensor. Continuous Measurement

of Soot Concentration. Graz 2008.

[4] AVL: Micro Soot Sensor. Transient High Sensitive Soot Measurement.

Graz 2010.

[5] Bajerlein M.: Studium emisji związków toksycznych spalin z systemów

napędowych autobusów miejskich. Rozprawa habilitacyjna nr 514,

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2013.

[6] Barcik R., Jakubiec M.: Zarządzanie kosztami w transporcie. Logistyka, nr

4/2010, 1–8.

[7] Barlow T.J., Latham S., McCrae I.S., Boulter P.G.: A Reference Book of Driving

Cycles for Use in the Measurement of Road Vehicle Emissions. TRL Published

Project Report No 354, ver. 3, 2010.

[8] Benjamin M.: Toward Clean Air in 2050: Perspectives on Portable Emissions

Measurement Systems (PEMS). 2013 PEMS Conference & Workshop University

of California, Riverside 2013.

[9] Bonnel P., Rubino L., Carriero M., Krasenbrink A.: Portable Emission

Measurement System (PEMS) for Heavy Duty Diesel Vehicle PM Measurement:

the European PM PEMS Program. SAE Technical Paper 2009-24-0149.

[10] Bonnel P., Kubelt J., Provenza A.: Heavy-Duty Engines Conformity Testing

Based on PEMS. Lessons Learned from the European Pilot Program JRC, 2011.

[11] Brauer J.: When Will Hybrid Technologies Dominate the Heavy-Duty Vehicle

Market? Forecasting Using Innovation Diffusion Models. Master of Science

Thesis, Stockholm (http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:488793/FULLTE

XT01, dostęp: 16.02.2015).

[12] Budzik G.: Zasilanie silników autobusów komunikacji miejskiej sprężonym

gazem ziemnym. Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2006.

[13] Cichy M.: Nowe teoretyczne ujęcie charakterystyki gęstości czasowej. Silniki

Spalinowe, nr 2–3/1986, 75–77.

[14] Council Directive 91/542/EEC of 1 October 1991 amending Directive 88/77/EEC

on the approximation of the laws of the Member States relating to the measures

to be taken against the emission of gaseous pollutants from diesel engines for use

in vehicles.

[15] Čupera J., Sedlák P.: Design and Verification of Engine Power Calculation

Model Using the Data of a Digital Bus Built into an Agricultural Tractor.

Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, nr 6,

Brno 2011.

130

[16] Directive 1999/96/EC on the approximation of the laws of the Member States

relating to measures to be taken against the emission of gaseous and particulate

pollutants from CI engines for use in vehicles, and the emission of gaseous

pollutants from PI engines fuelled with natural gas or liquefied petroleum gas for

use in vehicles and amending Council Directive 88/77/EEC.

[17] Directive 2001/27/EC it adapts to technical progress Council Directive

88/77/EEC on the approximation of the laws of the Member States relating to

measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants

from CI engines for use in vehicles, and the emission of gaseous pollutants from

PI engines fuelled with natural gas or liquefied petroleum gas for use in vehicles.

[18] Directive 96/1 /EC of the European Parliament and of the Council of 22 January

1996 amending Directive 88/77/EEC on the approximation of the laws of the

Member States relating to the measures to be taken against the emission of

gaseous and particulate pollutants from diesel engines for use in vehicles.

[19] Dobrzyński M.: Wpływ zastosowania gazu ziemnego na parametry ekologiczne

wybranych środków transportu. Rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska,

Poznań 2015.

[20] Dyrektywa 2001/85/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 20 listopada

2001 r. odnosząca się do przepisów szczególnych dotyczących pojazdów

wykorzystywanych do przewozu pasażerów i mających więcej niż osiem siedzeń

poza siedzeniem kierowcy i zmieniająca Dyrektywy 70/156/EWG i 97/27/WE.

[21] Dyrektywa 2002/7/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 18 lutego

2002 r. zmieniająca Dyrektywę Rady 96/53/WE ustanawiającą dla niektórych

pojazdów drogowych poruszających się na terytorium Wspólnoty maksymalne

dopuszczalne wymiary w ruchu krajowym i międzynarodowym oraz maksymalne

dopuszczalne obciążenia w ruchu międzynarodowym.

[22] Dyrektywa 2003/17/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 3 marca

2003 r. zmieniająca Dyrektywę 98/70/WE odnoszącą się do jakości benzyny

i olejów napędowych.

[23] Dyrektywa 2003/59/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 15 lipca

2003 r. w sprawie wstępnej kwalifikacji i okresowego szkolenia kierowców

niektórych pojazdów drogowych do przewozu rzeczy lub osób, zmieniająca

Rozporządzenie Rady (EWG) nr 3820/85 oraz Dyrektywę Rady 91/439/EWG

i uchylająca Dyrektywę Rady 76/914/EWG.

[24] Dyrektywa 2005/55/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 28 września

2005 r. w sprawie zbliżenia ustawodawstw państw członkowskich odnoszących

się do działań, które należy podjąć przeciwko emisji zanieczyszczeń gazowych

i cząstek stałych przez silniki wysokoprężne stosowane w pojazdach oraz emisji

zanieczyszczeń gazowych z silników o zapłonie iskrowym zasilanych gazem

ziemnym lub gazem płynnym stosowanych w pojazdach.

[25] Dyrektywa 2007/46/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 września

2007 r. ustanawiająca ramy dla homologacji pojazdów silnikowych i ich przyczep

oraz układów, części i oddzielnych zespołów technicznych przeznaczonych do

tych pojazdów.

131

[26] Dyrektywa Komisji (WE) 2008/74/WE z dnia 18 lipca 2008 r. zmieniająca

Dyrektywę 2005/55/WE Parlamentu Europejskiego i Rady oraz Dyrektywę

2005/78/WE w zakresie homologacji typu pojazdów silnikowych w odniesieniu

do emisji zanieczyszczeń pochodzących z lekkich pojazdów pasażerskich

i użytkowych (Euro 5 i Euro 6) oraz w zakresie dostępu do informacji

dotyczących naprawy i utrzymania pojazdów.

[27] Dyrektywa Komisji 2005/78/WE z dnia 14 listopada 2005 r. w sprawie

wykonania Dyrektywy 2005/55/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie

zbliżenia ustawodawstw Państw Członkowskich odnoszących się do działań,

jakie mają zostać podjęte w celu zapobiegania emisji zanieczyszczeń gazowych

i pyłowych przez silniki wysokoprężne stosowane w pojazdach oraz emisji

zanieczyszczeń gazowych z silników z wymuszonym zapłonem napędzanych

gazem ziemnym lub gazem płynnym stosowanych w pojazdach oraz zmieniająca

załączniki I, II, III i IV do niej.

[28] Dyrektywa Komisji 2006/51/WE z dnia 6 czerwca 2006 r. zmieniająca w celu

dostosowania do postępu technicznego załącznik I do Dyrektywy 2005/55/WE

Parlamentu Europejskiego i Rady oraz załączniki IV i V do Dyrektywy

2005/78/WE w zakresie wymagań dotyczących układu monitorowania kontroli

emisji spalin do stosowania w pojazdach oraz zwolnień dla silników gazowych.

[29] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/33/WE z dnia 23 kwietnia

2009 r. w sprawie promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych

pojazdów transportu drogowego.

[30] Dyrektywa Rady 1999/30/WE z dnia 22 kwietnia 1999 r. odnosząca się do

wartości dopuszczalnych dla dwutlenku siarki, dwutlenku azotu i tlenków azotu

oraz pyłu i ołowiu w otaczającym powietrzu.

[31] Dyrektywa Rady 70/156/EWG z dnia 6 lutego 1970 r. w sprawie zbliżenia

ustawodawstw Państw Członkowskich w odniesieniu do homologacji typu

pojazdów silnikowych i ich przyczep.

[32] Dyrektywa Rady 88/77/EEC z dnia 3 grudnia 1987 r. w sprawie zbliżenia

ustawodawstw Państw Członkowskich odnoszących się do działań, jakie mają

być podjęte w celu zapobiegania emisji zanieczyszczeń gazowych z silników

Diesla w pojazdach.

[33] Engeljehringer K.: Automotive Emission Testing and Certification. Past, Present

and Future. Materiały konferencyjne: 2nd International Exhaust Emissions

Symposium, Bielsko-Biała 2011.

[34] Engeljehringer K.: EU Emission Legislation – A New Approach. Materiały

konferencyjne: AVL RDE Event, Brno 2015.

[35] Engine Vehicle Integration – Emission Requirements & Technology Scuola di

Dottorato di Ricerca 2010 – Road Vehicle and Engine Engineering Science.

Materiały konferencyjne: Combustion, Bolonia 30.12.2010.

[36] European Commission: European Green Cars Initiative. Public-Private

Partnership. Prepared by the EGCI Ad-Hoc Industrial Advisory Group, 2011.

[37] ExxonMobil: The Outlook for Energy: A View to 2040. Irving (Texas) 2013.

132

[38] Fuć P., Rymaniak Ł., Ziółkowski A.: The Correlation of Distribution of PM

Number Emitted Under Actual Conditions of Operation by PC and HDV

Vehicles. WIT Transactions on Ecology and the Environment. WIT Press, nr

174/2013, 207–219.

[39] Fuć P.: Studium pasywnej regeneracji filtrów cząstek stałych w silnikach

o zapłonie samoczynnym. Rozprawa habilitacyjna nr 480, Wydawnictwo

Politechniki Poznańskiej, Poznań 2012.

[40] Fulper C.: New Measurement Techniques & Procedures for Measuring “Real

World” Emissions with PEMS and PAMS. 2013 PEMS Conference & Workshop

University of California, Riverside 2013.

[41] Fulton L., Cazzola P. i in.: Transport, Energy, and CO2: Moving Toward

Sustainability. International Energy Agency, Paris 2009.

[42] Gis W., Menes M., Pielecha J., Gis M.: Implementacja pojazdów wyposażonych

w ogniwa paliwowe i infrastruktura tankowania wodoru w Europie. Combustion

Engines, nr 3/2015 (162), 782–787.

[43] Główny Urząd Statystyczny: transport – wyniki działalności w 2014 roku. Zakład

Wydawnictw Statystycznych, Warszawa 2015.

[44] Komisja Europejska: Ekologiczne zakupy! Podręcznik dotyczący zielonych

zamówień publicznych. Wydanie II (http://ec.europa.eu/environment/gpp/index_

en.htm, dostęp: 10.03.2014).

[45] Komunikat Komisji do Rady Europejskiej i Parlamentu Europejskiego z dnia 10

stycznia 2007 r. – Europejska polityka energetyczna (http://eur-lex.europa.eu/

legal-content/PL/TXT/?uri=URISERV%3Al27067, dostęp: 25.08.2014).

[46] Kozak M.: Studium wpływu komponentów tlenowych oleju napędowego

na emisję toksycznych składników spalin z silników o zapłonie samoczynnym.

Rozprawa habilitacyjna nr 515, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej,

Poznań 2013.

[47] Lijewski P.: Studium emisji związków toksycznych spalin z silników

o zastosowaniach pozadrogowych. Rozprawa habilitacyjna nr 516, Wydawnictwo


[48] Marquard R., Töpfer G.: The New DEUTZ Engine TCD 3.6 – the Powerful and

Compact Engine Series for Various Applications. Materiały konferencyjne: 34th

International Vienna Motor Symposium, Vienna 26.04.2013.

[49] Materiały informacyjne firm: AVL List GmbH, Cummins Inc., DAF Trucks NV,

Deutz AG, HORIBA Ltd., Irisbus, IVECO SpA, MAN SE, Mercedes-Benz,

Sensors Inc., Solaris Bus and Coach S.A., Solbus Sp. z o.o. oraz Vossloh

Kiepe GmbH.

[50] Merkisz J., Bajerlein M., Rymaniak Ł., Siedlecki M.: Opracowanie testu do

oceny zużycia paliwa w cyklu miejskim dla autobusów wyposażonych w napędy

hybrydowe. Combustion Engines, nr 3/2015 (162), 587–592.

[51] Merkisz J., Fuć P., Lijewski P., Ziółkowski A., Rymaniak Ł.: Wpływ

zastosowania rodzaju silnika w pojazdach HDV na emisję związków toksycznych

gazów wylotowych. Combustion Engines, nr 3/2014 (158), 56–63.

133

[52] Merkisz J., Kozak M., Lijewski P., Fuć P.: Exhaust Emissions from Heavy-Duty

Vehicles Under Actual Traffic Conditions in the City of Poznań. SAE Technical

Paper 2013-01-0119.

[53] Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo


[54] Merkisz J., Pielecha J., Gis W., Gis M., Jasiński R.: Analiza emisji

zanieczyszczeń pojazdów ciężkich w rzeczywistych warunkach ruchu.

Combustion Engines, nr 3/2015 (162), 350–359.

[55] Merkisz J., Pielecha J., Nowak M.: Emisja zanieczyszczeń z pojazdów

w rzeczywistych warunkach ruchu na przykładzie aglomeracji poznańskiej.

Postępy Nauki i Techniki, nr 15, 2012.

[56] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych.

Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2012.

[57] Merkisz J., Pielecha J.: Emisja cząstek stałych ze źródeł motoryzacyjnych.

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2014.

[58] Merkisz J., Radzimirski S.: Nowe przepisy Unii Europejskiej o emisji

zanieczyszczeń z pojazdów samochodowych. Transport Samochodowy, tom 2,

2011, 41–70.

[59] Merkisz J., Rymaniak Ł., Ziółkowski A.: The Analysis of the Emission from

SUV Vehicle Fitted with CI Engine and Start-Stop System. Journal of KONBIN,

nr 2/2012(22), 171–180.

[60] Merkisz J., Siedlecki M., Ziółkowski A., Fuć P., Lijewski P.: Metody

ograniczenia emisji zanieczyszczeń z silników pojazdów HDV spełniających

normę Euro VI. Combustion Engines, nr 3/2015 (162), 480–486.

[61] Michalak D.: Analiza parametrów ekologicznych autobusów miejskich

z alternatywnymi układami napędowymi w rzeczywistych warunkach

eksploatacji. Rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań 2013.

[62] Nylund N.O., Erkkilä K., Hartikka T.: Fuel Consumption and Exhaust Emissions

of Urban Buses. VTT Tiedotteita Research Notes 2373, Helsinki 2007.

[63] Nylund N.O., Koponen K.: Fuel and Technology Alternatives for Buses.

Overall Energy Efficiency and Emission Performance. VTT Technology 46,

Kuopio 2012.

[64] Petrović V.S., Janković S.P, Tomić M.V., Jovanović Z.S., Knežević D.M.: The

Possibilities for Measurement and Characterization of Diesel Engine Fine

Particles – a Review. Thermal Science, nr 4/2011 (15), 915–938.

[65] Pielecha J.: Identyfikacja parametrów cząstek stałych z silników spalinowych.

Rozprawa habilitacyjna nr 467, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej,

Poznań 2012.

[66] Polski Związek Przemysłu Motoryzacyjnego: Tabele – Park pojazdów

zarejestrowanych w Polsce 1990–2013 (http://www.pzpm.org.pl/Rynek-

motoryzacyjny/Park-pojazdow-zarejestrowanych/Tabele-Park-pojazdow-zarejestr

owanych-w-Polsce-1990-2013, dostęp: 25.02.2015).

[67] Pyke B.: Global Energy Trends; 2030 to 2050. Hilbre Consulting Limited,

Wirral 2014.

134

[68] Rokicki T., Żak A.: Wybrane czynniki różnicujące ceny paliw w krajach UE i ich

znaczenie dla sektora agrobiznesu. Logistyka, nr 6/2014, 13702–13709.

[69] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 133/2014 z 31 stycznia 2014 r. zmieniające,

w celu dostosowania do postępu technicznego w zakresie wartości granicznych

emisji, Dyrektywę 2007/46/WE Parlamentu Europejskiego i Rady,

Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 595/2009 oraz

Rozporządzenie Komisji (UE) nr 582/2011.

[70] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 582/2011 z dnia 25 maja 2011 r. wykonujące

i zmieniające Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE)

nr 595/2009 w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z pojazdów

ciężarowych o dużej ładowności (Euro VI) oraz zmieniające załączniki I i III do

Dyrektywy 2007/46/WE Parlamentu Europejskiego i Rady.

[71] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 64/2012 z dnia 23 stycznia 2012 r. zmieniające

Rozporządzenie (UE) nr 582/2011 Parlamentu Europejskiego i Rady wykonujące

i zmieniające Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE)

nr 595/2009 w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z pojazdów

ciężarowych o dużej ładowności.

[72] Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 595/2009 z dnia

18 czerwca 2009 r. dotyczące homologacji typu pojazdów silnikowych i silników

w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z pojazdów ciężarowych

o dużej ładowności (Euro VI) oraz w sprawie dostępu do informacji dotyczących

naprawy i obsługi technicznej pojazdów, zmieniające Rozporządzenie (WE)

nr 715/2007 i Dyrektywę 2007/46/WE oraz uchylające Dyrektywy

80/1269/EWG, 2005/55/WE i 2005/78/WE.

[73] Rymaniak Ł., Merkisz J.: Wykorzystanie procedur UE 582/2011 i NTE do

oceny wskaźników ekologicznych silnika spalinowego. Logistyka, nr 3/2015,

4230–4238.

[74] Schöffmann W., Sorger H., Falck G., Howlett M., Weihrauch K.: Lightweight

Design, Function Integration and Friction Reduction – the Base Engine in the

Challenge between Cost and CO2-Optimization. Materiały konferencyjne: 34th

International Vienna Motor Symposium, Vienna 26.04.2013.

[75] Sensors Inc.: Emissions Measurement Solutions. SEMTECH® DS On Board

In-Use Emissions Analyzer. Erkrath 2010.

[76] Sharpe B., Muncrief R.: Literature Review: Real-World Fuel Consumption of

Heavy-Duty Vehicles in the United States, China, and the European Union.

International Council on Clean Transportation, Washington DC 2015.

[77] Silver F., Brotherton T.: CalHEAT Research and Market Transformation

Roadmap for Medium- and Heavy-Duty Trucks. California Hybrid, Efficient and

Advanced Truck Research Center, Pasadena 2013.

[78] Silverman D.T., Samanic C.M. Lubin J.H. I in.: The Diesel Exhaust in Miners

Study: A Nested Case-Control Study of Lung Cancer and Diesel Exhaust. Journal

of the National Cancer Institute, nr 11/2012 (104), 855–868.

[79] Szumanowski A.: Hybrid electric vehicle drive design. Monografia, Instytut

Technologii Eksploatacji, Radom 2006.

135

[80] Szumanowski A.: Akumulacja energii w pojazdach. Wydawnictwo Komunikacji

i Łączności, Warszawa 1984.

[81] The International Council on Clean Transportation (ICCT): Global

Transportation Roadmap Model (http://www.theicct.org/global-transportation-

roadmap-model, dostęp: 3.08.2015).

[82] U.S. Environmental Protection Agency: Average In-Use Emissions from Urban

Buses and School Buses. Office of Transportation and Air Quality, 2008.

[83] Ubide D., Larrodé E., de Velasco J.: New Hybrid Bus Prototype for Clean Urban

Transportation. SAE Technical Paper 2003-01-0419.

[84] UITP 2004: SORT – Standardised On-Road Test Cycles. UITP – International

Association of Public Transport, Bruksela 2004.

[85] UITP 2009: UITP Project SORT Standardised On-Road Test Cycles. UITP –

International Association of Public Transport, Bruksela 2009.

[86] United Nations Economic Comission for Europe: Consolidated Resolution on the

Construction of Vehicles (R.E.3): Classification and Definition of Vehicles.

ECE/TRANS/WP.29/78/Rev3, 2014.

[87] United Nations Economic Comission for Europe: Global technical regulation

No. 4: Test procedure for compression-ignition (C.I.) engines and positive

ignition (P.I.) engines fuelled with natural gas (NG) or liquefied petroleum gas

(LPG) with regard to the emission of pollutants. ECE/TRANS/180/Add.4, 2007.

[88] Wang B.H., Luo Y.G., Zhang J.W.: Simulation of City Bus Performance Based

on Actual Urban Driving Cycle in China. International Journal of Automotive

Technology, nr 4/2008, 501–507.

[89] WardsAuto Group Inc. 2014 World Vehicle Sales by Company Group and

Country. New York, 2015.

[90] Wisłocki K.: Rozkład warunków pracy w optymalizacji silnika spalinowego

i pojazdu. Silniki Spalinowe, nr 4/1989, 26–33.

[91] Wojewoda P.: Metodyka doboru silnika spalinowego do wybranej konfiguracji

napędu hybrydowego autobusu miejskiego. Wydawnictwo Politechniki

Rzeszowskiej, Rzeszów 2012.

[92] World Health Organization: Fact Sheets. Ambient (Outdoor) Air Quality and

Health. Geneva 2014.

[93] Worldwide Emissions Standards, Heavy Duty and Off-Highway Vehicles. Delphi

Innovation for the Real World 2015/2016.

[94] Wykresy.net: Świat na Wykresie (http:// wykresy.net/liniowe/liczba-autobusow-

w-komunikacji-miejskiej-w-polsce-ostatnie-16-lat.html, dostęp 11.02.2015).

[95] http://bystricoviny.sk (dostęp: 5.10.2015).

[96] http://cng.auto.pl/cena-cng-w-polsce/ (dostęp 26.08.2015).

[97] http://ec.europa.eu/environment/gpp/index_en.htm (dostęp: 4.03.2014).

[98] http://en.wheelsage.org (dostęp: 7.10.2015).

[99] http://e-petrol.pl/notowania/rynek-krajowy/ceny-stacje-paliw (dostęp: 1.08.2015).

[100] http://europa.eu/pol/trans/index_en.htm (dostęp: 19.11.2015).

[101] http://gpsvisualizer.com (dostęp: 29.10.2015).

136

Abstract

Analysis of the impact of the type of propulsion system and city bus driving

parameters on ecological work indicators

Buses have a significant impact on the environmental quality in urban areas, where

there are large concentrations of people. This is due to the considered vehicle group’s

population size and the power of these drive systems. The internal combustion engines

operating parameters in buses are directly related to the specific operating conditions in

the city. Development of measuring apparatus and methods for the assessment of road

emissions creates new possibilities for the assessment of different transport categories.

The presented facts have contributed to the realization of a doctoral dissertation, whose

main objective is determining the impact of using powertrains and operating parameters

of city buses on harmful compound emission and indicating the differences between

type approval procedures and the actual operating conditions, in terms of operating

characteristics of internal combustion engines.

The introduction contains considerations for city bus population size, along with

their current and future design development trends, as well as examples of solutions

used by manufacturers of such vehicles. Then the purpose and scope of the dissertation

was outlined, its thesis, and the formulated research problems. The legal regulations

concerning the testing and approval of city buses were discussed, covering mainly the

unit emissions of pollution in the context of the Euro V and Euro VI norms. The method

of measuring the emission of harmful compounds in real traffic conditions relating to

compliance checks vehicle heavy during operation have also been cited.

The research methodology chapter describes the test objects used, namely 18-meter

buses equipped with three types of drive systems: conventional, hybrid with a serial

configuration, and powered by compressed natural gas. The measuring equipment used

in the research has been presented, as well as the implementation of the research

program and the conditions in which it was executed. The research was conducted in the

SORT driving test and in real operating conditions, which included four specially

prepared routes in the Poznan urban area and its surroundings, as well as measurements

on a real bus line. The method of determining the characteristics of the shares of

working time and emission intensity was also discussed, along with the original

assumptions in the consideration for this group of vehicles.

Based on the research results a detailed assessment of parameters of bus movement

and the powertrains operation was carried out. The data registered in the standardized

driving cycle were compared with the values obtained from the actual driving

conditions. Then the dynamic homologation tests were considered in relation to the

measurements made on the bus line. Further in the dissertation an analysis of

environmental indicators, covering both the unit and roadside emission from city buses,

was conducted. In addition fuel consumption for these vehicles was determined. Due to

the current Euro VI legislation, the whole consideration was supplemented with

procedures contained in UE 582/2011 concerning the compatibility of unit emission of

pollutants in operation, which used original assumptions developed by the authors for

137

the needs of the dissertation. The summary contains the general performance

characteristics, detailed conclusions, as well as proposed directions for further

research work.

The dissertation provides new understanding of the influence of powertrains and

driving parameters of city buses on the ecological work indicators. The obtained

measurements helped identify the most environmentally friendly solutions relating to

road and unit emissions – for CO and THC emissions the bus with a serial hybrid drive,

while for NOx and PM the bus powered with CNG. The comparison between road tests

and the SORT tests was used to assess the suitability of the use of these tests. Because

the buses operate under specific conditions, different than any other heavyweight

vehicles which the research objects are classed as, differences in the working time

shares of the internal combustion engines during the certification tests and actual

operation were determined. Conclusions were formulated, based on the emission

coefficients, which take into account the relationship between road measurements and

legislative guidelines. This made it possible to determine whether actual emissions are

greater than the emission limits specified in the standards. On the basis of the rates of

fuel consumption calculated using the carbon balance method, a simplified economic

balance of costs of the tested vehicles was created, and used to identify the best solution

(hybrid). Road tests carried out in relation to the latest type approval regulations

allowed to check and compare whether the pollutant unit emissions, determined in

accordance with the official test methodology, correspond to the results obtained for the

whole test measurement.

Documents

Analiza wpływu rodzaju układu napędowego i parametrów ruchu … › be48 › d7bfdb9a1f7cb3e... · 2018-12-02 · LAN – Local Area Network lokalna sieć komputerowa m – masa