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.