Badania emisji zanieczyszczeń z pojazdów i silników
Badania:
poznawcze,
kwalifikacyjne – standardowe, stanowiące realizację normali-
zowanych procedur do oceny emisji zanieczyszczeń pojazdów
i silników.
Badania kwalifikacyjne:
homologacja typu: TA – Tape Approval, FR – First Registra-
tion,
kontrola zgodności produkcji z typem homologowanym,
kontrola zgodności w eksploatacji z typem homologowanym,
kontrola w eksploatacji: okresowe badania techniczne i kont-
rola drogowa.
2
Homologacja
Homologacja – postępowanie urzędowe stwierdzające, że dany
typ pojazdu spełnia wszystkie stawiane mu wymagania for-
malne.
Homologacji udziela organ uprawniony do tego przez władze
państwowe w wyniku przeprowadzenia badań, przewidzianych
odpowiednimi przepisami, i uzyskania wyników, spełniających
warunki przewidziane w przepisach.
Typ wyrobu
Typ wyrobu w postępowaniu homologacyjnym – zespół cech
konstrukcyjnych i, wynikających z nich, właściwości użytko-
wych, które charakteryzują jednoznacznie wszystkie egzempla-
rze wyrobu zaliczane do tego typu.
3
Klasyfikacja badań emisji zanieczyszczeń ze względu na
obiekt badań:
Badania silnika – na hamowni silnikowej.
Badania pojazdu:
•
Na hamowni podwoziowej.
•
W warunkach drogowych – trakcyjne:
–
Eksploatacyjne, np. trwałościowe.
–
Testy drogowe.
Klasyfikacja badań emisji zanieczyszczeń ze względu na
zależność warunków badań od czasu:
Badania statyczne – niezależne od czasu (warunki stałe).
Badania dynamiczne – zależne od czasu (warunki zmienne
w czasie).
4
Przykład testu statycznego
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
n
w
M
ew
Schemat testu trzynastofazowego według regulaminu nr R49.02 EKG
5
Przykład testu dynamicznego
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0
200
400
600
800
1000
t [s]
v
[
k
m
/h
]
v
max
≤
≤
≤
≤
130 km/h
130 km/h < v
max
≤≤≤≤
150 km/h
v
max
> 150 km/h
Przebieg prędkości w teście autostradowym
6
Przepisy europejskie
Masy charakterystyczne pojazdów samochodowych:
Masa własna – to masa pojazdu z jego normalnym wyposaże-
niem, paliwem, olejami, smarami i cieczami w ilościach nominal-
nych, bez kierującego.
Dopuszczalna masa całkowita (dmc, DMC) – największa, okre-
ś
lona właściwymi warunkami technicznymi, masa pojazdu,
obciążonego osobami i ładunkiem, dopuszczonego do poruszania
się po drodze.
Maksymalna masa całkowita – największa masa pojazdu obcią-
ż
onego określona w zależności od jego konstrukcji przez produ-
centa.
Masa odniesienia – masa pojazdu w stanie gotowości do jazdy
pomniejszona o ujednoliconą masę kierowcy wynoszącą 75 kg
i powiększona o stałą masę wynoszącą 100 kg.
7
Kategorie pojazdów samochodowych
1.
Kategoria M: pojazdy samochodowe mające co najmniej
cztery koła i zaprojektowane i wykonane do przewozu osób,
w tym:
kategoria M1: samochody osobowe – pojazdy zaprojekto-
wane i wykonane do przewozu osób, mające nie więcej niż
osiem miejsc w dodatku do siedzenia kierowcy;
kategoria M2: autobusy – pojazdy zaprojektowane i wyko-
nane do przewozu osób, mające więcej niż osiem miejsc
w dodatku do siedzenia kierowcy i mające masę maksy-
malną nie przekraczającą 5 Mg;
8
kategoria M3: autobusy – pojazdy zaprojektowane i wyko-
nane do przewozu osób, mające więcej niż osiem miejsc
w dodatku do siedzenia kierowcy i mające masę maksy-
malną przekraczającą 5 Mg.
2.
Kategoria N: pojazdy samochodowe mające co najmniej
cztery koła i zaprojektowane i wykonane do przewozu ładun-
ków, w tym:
kategoria N1: samochody ciężarowe – pojazdy zaprojekto-
wane i wykonane do przewozu ładunków i mające masę
maksymalną nie przekraczającą 3,5 Mg;
kategoria N2: samochody ciężarowe – pojazdy zaprojekto-
wane i wykonane do przewozu ładunków i mające masę
maksymalną przekraczającą 3,5 Mg ale nie przekracza-
jącą 12 Mg;
9
kategoria N3: samochody ciężarowe – pojazdy zaprojekto-
wane i wykonane do przewozu ładunków i mające masę
maksymalną przekraczającą 12 Mg.
3.
Kategoria O: przyczepy (z włączeniem naczep), w tym:
kategoria O1: przyczepy o masie maksymalnej nie prze-
kraczającej 0,75 Mg;
kategoria O2: przyczepy o masie maksymalnej przekra-
czającej 0,75 Mg, ale nie przekraczającej 3,5 Mg;
kategoria O3: przyczepy o masie maksymalnej
przekraczającej 3,5 Mg, ale nie przekraczającej 10 Mg;
kategoria O4: przyczepy o masie maksymalnej przekra-
czającej 10 Mg.
4.
Kategoria G: pojazdy terenowe.
10
Regulaminy Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ
Regulamin nr 24.03 EKG
Emisja zanieczyszczeń widzialnych (zadymienie spalin) z silników
ZS stosowanych do napędu pojazdów samochodowych.
Regulamin nr 40.01 EKG
Emisja zanieczyszczeń gazowych (tlenku węgla i węglowodorów)
z silników stosowanych do napędu motocykli.
Regulamin nr 47 EKG
Emisja zanieczyszczeń gazowych (tlenku węgla i węglowodorów)
z silników stosowanych do napędu motorowerów.
11
Regulamin nr 49.03 EKG
Emisja zanieczyszczeń z silników ZS (tlenku węgla, węglowodo-
rów, tlenków azotu i cząstek stałych) oraz ZI na gazowe paliwa
węglowodorowe: gaz ziemny – NG i skroplony gaz ropopochodny
– LPG (tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu), stosowa-
nych do napędu pojazdów kategorii: M1, M2, M3, N1, N2 i N3
(samochody osobowe, dostawcze i ciężarowe).
Regulamin nr 83.05 EKG
Emisja zanieczyszczeń (tlenku węgla, węglowodorów, tlenków
azotu dla silników ZI i samoczynnym oraz – dodatkowo dla silni-
ków ZS – cząstek stałych) z silników stosowanych do napędu po-
jazdów kategorii: M1 i N1 (samochody osobowe i lekkie samo-
chody ciężarowe – o masie maksymalnej mniejszej niż 3,5 Mg).
12
Regulamin nr 84 EKG
Zużycie paliwa przez pojazdy kategorii: M1 i N1 o masie mak-
symalnej mniejszej niż 2 Mg.
Regulamin nr 96.01 EKG
Emisja zanieczyszczeń (tlenku węgla, węglowodorów, tlenków
azotu i cząstek stałych) z silników ZS stosowanych do napędu po-
jazdów kategorii T (ciągniki).
Regulamin nr 101 EKG
Emisja dwutlenku węgla i zużycie paliwa przez pojazdy kategorii
M1 i N1 (samochody osobowe i dostawcze – o masie maksymal-
nej mniejszej niż 3,5 Mg) oraz zużycie energii elektrycznej przez
pojazdy elektryczne.
13
Przepisy amerykańskie
Wymagania dotyczące struktury ekologicznej pojazdów wytwa-
rzanych przez producenta.
Struktura:
W przepisach federalnych: Tier 1 i Tier 2.
W przepisach kalifornijskich: Tier 1 i Tier 2 oraz:
•
TLEV – Transitional Low Emission Vehicles – pojazdy
o przejściowo niskiej emisji,
•
LEV – Low Emission Vehicles – pojazdy o niskiej emisji,
•
ULEV – Ultra Low Emission Vehicles – pojazdy o skrajnie
niskiej emisji,
•
SULEV – Super Ultra Low Emission Vehicles – pojazdy
o bardzo skrajnie niskiej emisji,
14
•
HEV – Hybrid Electric Vehicles – elektryczne pojazdy hy-
brydowe,
•
EZEV – Equivalent Zero Emission Vehicles – pojazdy
o równoważnie zerowej emisji,
•
ZEV – Zero Emission Vehicles – pojazdy o zerowej emisji.
15
Badania pojazdów samochodowych na hamowni podwo-
ziowej
Badania pojazdów kategorii M1, M2 i N1:
Euro 1 – Euro 4: o masie maksymalnej mniejszej od
3,5 Mg,
Euro 5, Euro 6: o masie odniesienia mniejszej od 2,61 Mg.
Pojazdy z silnikami ZI i ZS:
samochody osobowe,
mikrobusy,
lekkie samochody ciężarowe, tzw. dostawcze.
16
0
20
40
60
80
100
120
140
0
200
400
600
800
1000
1200
t [s]
v
[
k
m
/h
]
Przebieg prędkości pojazdu w teście wg regulaminu nr 83 EKG –
– NEDC (New European Driving Cycle)
(UDC – Urban Driving Cycle i EUDC – Extra Urban Driving Cycle)
17
0
20
40
60
80
100
0
500
1000
1500
2000
2500
t [s]
v
[
k
m
/h
]
Przebieg prędkości w teście FTP–75 (Federal Transient Procedure)
18
0
20
40
60
80
100
120
0
100
200
300
400
500
600
700
800
t [s]
v
[
k
m
/h
]
Przebieg prędkości w teście HWFET (Highway Federal Extra Test)
do pomiaru zużycia paliwa
19
0
20
40
60
80
0
100
200
300
400
500
600
700
t [s]
v
[
k
m
/h
]
Przebieg prędkości w teście Japan 10 – 15 Mode
20
Badania silników pojazdów samochodowych na hamowni
silnikowej
Badania silników pojazdów M3, N2 i N3:
Euro I – Euro IV: o maksymalnej masie całkowitej większej
od 3,5 Mg,
Euro V, Euro VI: o masie odniesienia większej od 2,61 Mg.
Silniki do samochodów ciężarowych i autobusów:
silniki ZS o wtrysku bezpośrednim (HDDID – Heavy Duty
Direct Injection Diesel),
silniki ZI i ZS zasilane paliwami gazowymi (NG i LPG).
21
Badania silników na hamowni w warunkach:
statycznych,
dynamicznych.
22
0,15
0,08
0,05
0,05
0,05
0,09
0,10
0,10
0,10
0,08
0,05
0,05
0,05
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
M
ew
n
w
n
w id
A
B
C
Schemat testu ESC (European Stationary Cycle,
ew. European Steady Cycle) zgodnie z regulaminem 49.03 EKG
23
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
N
ew
n
w
n
hi
n
lo
A
B
C
0,7
0,5
0,25(n
hi
- n
lo
)
0,5(n
hi
- n
lo
)
0,75(n
hi
- n
lo
)
Schemat doboru prędkości obrotowych do testu ESC
24
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
100
200
300
400
500
n
w
t [s]
A
B
C
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
100
200
300
400
500
M
ew
t [s]
Schemat testu ELR (European Load Response) do pomiaru
współczynnika ekstynkcji promieniowania świetlnego przez
spaliny zgodnie z regulaminem 49.03 EKG
25
0,08
0,03
0,08
0,1
0,06
0,17
0,02
0,02
0,02
0,03
0,05
0,1
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
n
w
M
ew
Schemat testu WHSC (World Harmonized Steady Cycle)
26
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
n
w
M
ew
Schemat testu statycznego do badania silników spalinowych
maszyn niedrogowych NRSC (Nonroad Steady Cycle)
27
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
n
w
t [s]
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
M
ew
t [s]
Schemat testu dynamicznego HDDTT
(Heavy Duty Diesel Transient Test)
28
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
n
w
t [s]
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
M
ew
t [s]
Schemat testu dynamicznego ETC (European Transient Cycle)
zgodnie z regulaminem 49.03 EKG
29
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
500
1000
1500
2000
t [s]
n
w
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
500
1000
1500
2000
t [s]
M
ew
Schemat testu dynamicznego WHTC
(World Harmonized Transient Cycle)
30
Test WHTC – z rozruchem nagrzanego silnika, przerwa 5 min i test
z rozruchem nie nagrzanego silnika
H
C
H
H
C
C
L
9
,
0
L
1
,
0
L
e
9
,
0
L
e
1
,
0
e
⋅
+
⋅
⋅
⋅
+
⋅
⋅
=
e
C
– emisja jednostkowa w teście z rozruchem nie nagrzanego silnika
e
H
– emisja jednostkowa w teście z rozruchem nagrzanego silnika
L
C
– praca wykonana przez silnik w teście z rozruchem nie nagrzanego
silnika
L
H
– praca wykonana przez silnik w teście z rozruchem nagrzanego
silnika
31
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
t [s]
n
w
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
t [s]
M
ew
Schemat testu dynamicznego do badania silników spalinowych
maszyn niedrogowych NRTC (Nonroad Transient Cycle)
32
Regulamin nr 83.05 EKG
Typy badań:
I.
Emisja drogowa w teście jezdnym NEDC na hamowni pod-
woziowej.
II.
Stężenie tlenku węgla w spalinach i współczynnika nadmiaru
powietrza na biegu jałowym.
III.
Emisja węglowodorów ze skrzyni korbowej.
IV.
Emisja par węglowodorów z pojazdu w komorze grzewczej.
V.
Trwałość urządzeń ograniczających emisję zanieczyszczeń –
spełnienie wymagań w badaniach typu I po przebiegu po-
jazdu.
VI.
Emisja drogowa tlenku węgla i węglowodorów w teście jezd-
nym UDC na hamowni podwoziowej przy temperaturze oto-
czenia
−−−−
7
°°°°
C.
Test pokładowego systemu diagnozowania OBD.
33
Samochody z silnikami ZI – badania typu I
÷÷÷÷
VI oraz test OBD.
Samochody z silnikami ZS podlegają badaniom typu: I i V oraz
test OBD, jeśli samochód jest w taki system wyposażony.
34
Samochody osobowe z silnikami ZI
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
b
C
O
[
g
/k
m
]
Euro 1
Euro 2
Euro 3
Euro 4
Euro 5
Euro 6
07.1992
01.1996
01.2000
01.2005
09.2009
09.2014
CO
HC
NOx
HC & NOx
PM
35
Samochody osobowe z silnikami ZS
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
b
H
C
+
b
N
O
x
[
g
/k
m
]
Euro 1
Euro 2,
IDI
Euro 2,
DI
Euro 3
Euro 4
Euro 5a Euro 5b
Euro 6
07.1992 01.1996 01.1996 01.2000 01.2005 09.2009 09.2011 09.2014
CO
HC & NOx
NOx
PM
36
Limity stężeń objętościowych w spalinach silników ZI na biegu
jałowym:
0,3% dla tlenku węgla na biegu jałowym z minimalną prędko-
ś
cią obrotową,
0,2% dla tlenku węgla na biegu jałowym ze zwiększoną
prędkością obrotową (nie mniejszą niż 2000 min
–1
),
z wyjątkiem pojazdów, dla których w świadectwach homolo-
gacji są potwierdzone wartości większe.
Dla samochodów wyposażonych w sondę lambda współczynnik
nadmiaru powietrza na biegu jałowym z zwiększoną prędkością
obrotową powinien być zawarty w granicach od 0,97 do 1,03.
37
Kryterialny wynik badania typu III – brak nadciśnienia
w skrzyni korbowej silnika pracującego na biegu jałowym, ozna-
czający brak emisji węglowodorów ze skrzyni korbowej.
38
Badania emisji par węglowodorów z pojazdu (typu IV):
etap przygotowawczy, zawierający m.in. kondycjonowanie
samochodu, opróżnianie i napełnianie zbiornika paliwa,
test jezdny NEDC,
badania systemu odpowietrzania zbiornika paliwa,
test parowania w czasie postoju samochodu z wyłączonym silni-
kiem w komorze w podwyższonej temperaturze HSL:
(6 ÷ 36) h w temperaturze (296 ÷ 304) K,
test dziennych strat parowania (24 h) DBL w czasie postoju sa-
mochodu z wyłączonym silnikiem w komorze w zmiennej tempe-
raturze: początkowej 293 K, maksymalnej 308 K oraz amplitu-
dzie temperatury 15 K.
Emisja parowania węglowodorów – suma emisji w testach HSL
i DBL. Limit dopuszczalnej emisji par węglowodorów z pojazdu
w komorze grzewczej w kombinacji testów wynosi 2 g.
39
Badanie typu V, dotyczące trwałości urządzeń ograniczających
emisję zanieczyszczeń
Spełnienie wymagań w badaniach typu I po przebiegu pojazdu
80000 km.
Współczynniki powiększenia dopuszczalnych średnich emisji
drogowych zanieczyszczeń w teście jezdnym ECE R83.05
w stosunku do wyników badania typu I.
Typ
silnika
Dla emisji
drogowej
CO
Dla emisji
drogowej
HC
Dla emisji
drogowej
NO
x
Dla sumy
emisji
drogowych
HC i NO
x
Dla emisji
drogowej
PM
ZI
1,2
1,2
1,2
–
–
ZS
1,1
–
1,0
1,0
1,2
40
Badanie typu VI
Wyznaczanie emisji drogowej tlenku węgla i węglowodorów
w teście jezdnym UDC na hamowni podwoziowej przy tempera-
turze otoczenia
−−−−
7
°°°°
C.
Limity średniej emisji drogowej w teście UDC:
dla tlenku węgla 15 g/km,
dla węglowodorów 1,8 g/km.
41
Test pokładowego systemu diagnozowania OBD
Test wykonywany zgodnie z procedurą wytwórcy badanego po-
jazdu.
W zakresie testu m.in. badania symulacyjne uszkodzeń ze
względu na ich identyfikację przez system diagnozowania,
w szczególności badania układów sprawdzania prawidłowości
funkcjonowania urządzeń ograniczających emisję zanieczysz-
czeń.
42
Regulamin nr 24.03 EKG
Silniki ZS wszystkich pojazdów samochodowych.
Limity współczynnika ekstynkcji promieniowania świetlnego
mierzonego dymomierzem optycznym:
w teście swobodnego przyspieszenia: dla silników niedołado-
wanych 2,5 m
–1
, dla silników doładowanych 3 m
–1
,
na zewnętrznej charakterystyce prędkościowej limit jest za-
leżny od umownego natężenia przepływu powietrza przez sil-
nik Q
s
.
43
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0
50
100
150
200
250
300
Q
s
[dm
3
/s]
k
[
m
-1
]
Q
s
< 42 dm
3
/s k = 2,26 m
-1
Q
s
> 200 dm
3
/s k = 1,065 m
-1
Limit współczynnika ekstynkcji promieniowania świetlnego na
zewnętrznej charakterystyce prędkościowej w zależności od
umownego natężenia przepływu powietrza przez silnik
44
Regulamin nr 49.03 EKG
Emisja zanieczyszczeń z silników ZS oraz ZI na gazowe paliwa
węglowodorowe, stosowanych do napędu pojazdów.
45
Silniki ZS do samochodów ciężarowych i autobusów
(testy statyczne ESC i WHSC i test dynamiczny ELR)
0
1
2
3
4
5
6
e
[
g
/(
k
W
·h
)]
1992.01
1992.01
1996.10
1998.10
1999.10
2000.10
2005.10
2008.10
2013.01
Euro Ia
Euro Ib
Euro II
EEV
Euro III Euro IV
Euro V
Euro VI
ECE R49
ESC
WHSC
CO
HC
NOx
PM
Euro Ia – N
eN
≤ 85 kW i n
N
>3000 min
–1
46
Silniki ZS i silników ZI na gazowe paliwa węglowodorowe do
samochodów ciężarowych i autobusów
(testy dynamiczne ETC i WHTC)
0
1
2
3
4
5
6
e
[g
/(
k
W
·h
)]
1999.10
2000.01
2005.01
2008.01
2013.01
EEV
Euro III
Euro IV
Euro V
Euro VI
ETC
WHTC
CO
NMHC
CH4
NOx
PM
47
Perspektywy rozwoju metod badań kontrolnych emisji substancji
szkodliwych
Tendencje w badaniach emisji spalin z silników:
badania emisji zanieczyszczeń w eksploatacji silników spali-
nowych z zastosowaniem przenośnego systemu pomiaru emi-
sji (Portable Emissions Measurement System – PEMS),
limitowanie emisji dwutlenku węgla i zużycia paliwa,
uwzględnianie w badaniach najbardziej niekorzystnej dla śro-
dowiska fazy rozruchu silnika nie nagrzanego,
badania emisji w rozruchach silnika w niskich temperatu-
rach,
zaostrzenie testu na emisję węglowodorów z pojazdu w czasie
postoju,
48
sprawdzanie spełnienia wymagań norm po zwiększonym prze-
biegu pojazdu (dla samochodów osobowych i dostawczych –
160 000 km, dla silników samochodów ciężarowych i autobu-
sów – 1 000 000 km),
stosowanie do badań silników ZS oprócz testów statycznych
również testów dynamicznych, bardziej reprezentatywnych
dla rzeczywistej eksploatacji trakcyjnej,
wprowadzania coraz ostrzejszych limitów emisji,
wprowadzanie kontroli spełniania wymagań ochrony środo-
wiska przez pojazdy będące w eksploatacji – opracowanie me-
tod badań mniej skomplikowanych niż homologacyjne, ale sy-
mulujące warunki użytkowania (w odróżnieniu od dotychczas
stosowanych badań kontrolnych, np. pomiaru stężenia tlenku
węgla na biegu jałowym dla silników ZI),
49
wprowadzanie nowych generacji pokładowych systemów dia-
gnozowania OBD, umożliwiających ciągłe monitorowanie
stanu technicznego samochodu, w szczególności jego właści-
wości ekologicznych oraz bezpieczeństwa,
opracowanie i realizacja programu wycofywania
z eksploatacji starych pojazdów o znacznej szkodliwości dla
ś
rodowiska,
rozszerzenia listy substancji podlegających kontroli:
węglowodory aromatyczne i pierścieniowe, aldehydy i inne
związki szczególnie szkodliwe,
limitowanie emisji dwutlenku węgla równoznaczne z limito-
waniem zużycia paliwa,
badanie silników o zastosowaniach niesamochodowych meto-
dami analogicznymi, jak dla silników o zastosowaniach samo-
chodowych.