Объем текущего исследования, основанного на оригинале, проведенном для оценки рентабельности внедрения Евро 5 для категории L (Ntziachristos et al., 2017), заключается в представлении уровней выбросов твердых частиц от 30 транспортных средств категории L. .Это сделано для того, чтобы обеспечить необходимую техническую основу для любых решений по более строгому контролю выбросов твердых частиц для транспортных средств категории L. По сравнению с вышеупомянутым исследованием воздействия, текущая работа охватывает более широкий спектр транспортных средств категории L с дополнительными измерениями и дает лучшее представление о выбросах конкретных подкатегорий. Исследуемые автомобили охватывают большинство подкатегорий L (т. Е. Мопеды, мотоциклы, квадроциклы и мини-автомобили) и оснащены различными двигателями и топливными системами, а именно 2S и 4-тактными (4S) бензиновыми двигателями с карбюратором и левым впрыском топлива, а также дизельные двигатели.

В качестве первого шага оценивается корреляция между выбросами PM и SPN23, чтобы выяснить, могут ли автомобили с высоким уровнем выбросов быть эффективно обнаружены с помощью ограничений Euro 5 PM или может потребоваться введение ограничения SPN для этого. . Кроме того, оцениваются выбросы менее 23 нм и летучих твердых частиц, чтобы выяснить, следует ли их также учитывать в будущих правилах. Холодный запуск двигателя может быть основным источником выбросов твердых частиц, особенно в небольших двигателях с малой массой, которые быстро остывают; поэтому влияние холодного запуска на выбросы твердых частиц оценивается отдельно для каждого транспортного средства и подкатегории.Потери от испарения от транспортных средств категории L могут способствовать образованию вторичных загрязнителей в атмосфере, включая вторичный органический аэрозоль (Chen et al., 2019), но это не входило в фокус текущей работы.

2. Методология

2.1. Объект

Транспортные средства были испытаны в испытательных камерах на выбросы для двухколесных транспортных средств (мопеды и мотоциклы) и малых квадрициклов Лаборатории по выбросам транспортных средств (VELA) в Объединенном исследовательском центре Европейской комиссии (JRC).Схема представлена ​​в, а подробности можно найти в Zardini et al. (2016) и ссылки в нем. Вкратце, автомобили проводили испытания выбросов на 48-дюймовом роликовом стенде (Zoellner GmbH), следуя предписанным ездовым циклам, как описано в соответствующих Европейских правилах 168/2013 и 134/2014 (EU, 2013a, 2014) и представлено в разделе 2.3. Измерения выбросов PM и SPN23 проводились на основе этих правил и так называемого протокола программы измерения частиц (PMP, Andersson et al., 2007). Неочищенные выхлопные газы разбавлялись в туннеле для отбора проб постоянного объема (CVS) (расход ≈ 5,5 м ³ / мин), и постоянная фракция разбавленных выхлопных газов отбиралась через 47-миллиметровые стекловолоконные фильтры с покрытием из ПТФЭ (один для каждая фаза рабочего цикла, средний расход = 50 л / мин — примерно 80 см / с, температура фильтра около 25 ° C) для определения выпавших твердых частиц посредством гравиметрического анализа. Длина трубы из нержавеющей стали от выхлопной трубы до туннеля для разбавления составляла 4–5 м (внутренний диаметр d _в = 10 см), что приводило к времени пребывания 5–15 с в зависимости от расхода.Настройка и параметры соответствуют Регламенту (ЕС) 134/2014 (2014).

Экспериментальная установка для измерения выбросов твердых частиц. Представлены испытанный автомобиль, динамометр шасси, система отбора проб и разбавления, а также записанные сигналы, использованные в этом исследовании.

Влияние параметров канала разбавления (например, коэффициента разбавления, скорости потока через фильтр) на определение массы ТЧ подробно обсуждалось в литературе (Vouitsis et al., 2003; Maricq et al., 2018). Основываясь на предыдущих исследованиях, мы ожидаем уменьшения концентрации частиц и увеличения размера частиц из-за агломерации (Czerwinski et al., 2013). Снижение концентрации частиц должно составлять около 40% для дизельных транспортных средств с высокими выбросами (Isella et al., 2008) и 10–20% для мотоциклов с уровнями выбросов, близкими к пределу для легковых автомобилей (6 × 10 ¹¹ км ^{— 1} ) (Giechaskiel et al., 2019b). Высокие температуры выхлопных газов также могут заставить осажденный материал десорбироваться со стенок трубы и образовывать новые частицы летучих (Maricq et al., 1999) или полулетучих свойств (Giechaskiel, 2019a, 2019b).

SPN23 были определены с использованием системы, совместимой с PMP (счетчик частиц AVL — APC 489), выборка из CVS (Giechaskiel et al., 2010). Дополнительный счетчик частиц конденсации (TSI CPC 3792) с отсечкой по размеру при 10 нм отбирал пробы параллельно (SPN10). Выбросы SPN10 в этом случае были скорректированы на основе метода коэффициента уменьшения концентрации частиц PMP (PCRF). Наконец, выбросы общего числа частиц (TPN) всех частиц размером более 10 нм (TPN10) без различия летучести определялись либо с помощью измерителя частиц в выхлопных газах двигателя (TSI EEPS 3090) из CVS, либо, когда концентрации TPN были ниже предел обнаружения EEPS с помощью TSI CPC3010 с дополнительной стадией разбавления (в большинстве случаев коэффициент разбавления = 800).В обоих случаях поправки на потери частиц в пробоотборной линии для расчета уровней выбросов не применялись. В некоторых случаях (некоторые тесты с транспортными средствами 3, 4, 14, 25, 26 дюймов) перед EEPS были установлены подогреваемый каталитический отпарной аппарат (CS) и дополнительная ступень разбавления для удаления летучих частиц и определения только численного размера твердых частиц. распределение.

Таблица 3

Технические характеристики тестовых автомобилей. Примечания: 2S = 2-тактный, 4S = 4-тактный, G = бензиновый, D = дизельный, C = карбюраторный, PFI = впрыск топлива в порт, DI = прямой впрыск, PCI = форкамерный впрыск, 2WC = двустороннее окисление катализатор, 3WC = трехкомпонентный катализатор, DOC: катализатор окисления дизельного топлива.

2.2. Испытательные автомобили

Были испытаны образцы из 30 автомобилей категории L, включая двухколесные (мопеды и мотоциклы), трехколесные (трехколесные) и четырехколесные (квадроциклы и мини-автомобили). Эти автомобили были выбраны на основе анализа рыночных данных, проведенного Clairotte et al. (2016), чтобы быть как можно более репрезентативным для циркулирующего флота ЕС, хотя между разными странами наблюдается высокая неоднородность. Например, количество мопедов и мотоциклов на 1000 жителей в Греции составляет 275, в то время как во Франции соответствующее число составляет только 65 (ЕС, 2018c).Существенные различия наблюдаются также в соотношении регистраций новых транспортных средств между мопедами и мотоциклами. В период 2010–2018 годов среднее соотношение регистраций мотоциклов / мопедов составляло 0,2 в Нидерландах, а в Испании — 7,6 (ACEM, 2019a). Подробные технические характеристики тестовых автомобилей приведены в, а конкретные характеристики и примеры автомобилей для каждой подкатегории представлены в и (Дополнительный материал) в соответствии с терминологией Регламента 168/2013 (ЕС, 2013a).Мопеды были разделены на 2 группы в зависимости от хода двигателя, 2S и 4S, учитывая их различное поведение с точки зрения выбросов (например, Zardini et al., 2014). Подкатегория мопедов 2S также включает цикл с приводом от двигателя Euro 1 (L1e-A), поскольку он оснащен двигателем 2S и относится к категории L1e-A. Все исследованные мопеды соответствовали стандарту выбросов Евро 2, который был заменен стандартом Евро 3 в 2014 году. Принимая во внимание, что расчетный средний возраст парка L-категории (автомобили, используемые в период 2010–2040 годов) составляет 8 лет (Ntziachristos и другие., 2017), мопеды Euro 2 по-прежнему считаются доминирующей экологической категорией в оборотном парке ЕС (EU, 2013b; Ntziachristos et al., 2017). То же касается квадроциклов и миникаров. Группа мотоциклов включала семь автомобилей стандарта Евро 3 и три автомобиля стандарта Евро 4. Стандарт Euro 4 был введен Регламентом EU 168/2013 (EU, 2013a) и вступил в силу в 2016 году, поэтому доля мотоциклов Euro 3 в текущем парке все еще высока. Трехколесный велосипед (подкатегория L5e-A) также был включен в выборку мотоциклов из-за схожих характеристик трансмиссии.В случае автомобилей 8, 9, 13, 21 и 23 были испытаны три разных автомобиля одной и той же модели. Для этих транспортных средств оценивались средние сгруппированные выбросы. Все тестовые автомобили заправлялись сертифицированным бензином E5 или дизельным двигателем B7 (ЕС, 2014 г.).

2.3. Велосипедные циклы

Применимые ездовые циклы на транспортных средствах категории L обобщены и описаны в Регламенте ЕС 134/2014 (ЕС, 2014). ECE R47 (для мопедов и микроавтобусов) и ECE R40 (все остальные) являются обязательными ездовыми циклами в ЕС согласно стандарту Euro 4.Мотоциклы до Euro 3 могут иметь одобрение типа с ездовым циклом R40, в то время как мотоциклы Euro 4 одобряются с помощью всемирно согласованного цикла испытаний мотоциклов (WMTC, необязательно для мотоциклов Euro 3). С введением пакета Euro 5 в 2020 году все автомобили категории L будут следовать WMTC, который охватывает более широкую область карты двигателя по сравнению с ездовыми циклами R40 и R47 (Ntziachristos et al., 2017). Следует, однако, отметить, что даже WMTC может не отражать реальных условий вождения, особенно для некоторых конкретных L-подкатегорий, таких как тяжелые вездеходы и квадроциклы для служебных целей.Рекомендация авторов заключается в том, что в ближайшие годы следует проводить мониторинг реальных выбросов от этих типов транспортных средств, чтобы можно было разработать новую методологию измерения для них. Дорожные испытания, которые проводились в контексте исследования эффекта Евро 5 (Ntziachristos et al., 2017) с портативной системой измерения выбросов (PEMS), показали, что дорожные маршруты могут включать более сложные условия вождения и охватывать более широкий двигатель. по сравнению с WMTC, поэтому выбросы газов также могут быть выше.Из-за сложности оборудования для измерения частиц, представленного в разделе 2.1, технических вопросов и вопросов безопасности (например, размера, необходимости в линиях с высоким разбавлением и подогреве), эти испытания включали только измерения выбросов газообразных веществ. По этим причинам в настоящем исследовании не представлены измерения выбросов твердых частиц на дорогах. Система на основе датчиков могла бы решить эти технические проблемы и проблемы безопасности, но такая система не соответствует спецификациям PEMS, предписанным действующим законодательством. В нашем исследовании мы протестировали большинство транспортных средств как в ездовых циклах Организации Объединенных Наций (ECE R47 или R40), так и в предписанном WMTC из 5 доступных классов, определенных категорией транспортного средства и его максимальной заявленной скоростью, как указано в дополнительных материалах.Все версии WMTC, определенные для различных классов транспортных средств категории L, включают первую фазу продолжительностью 600 с, когда автомобиль запускается из условий окружающей среды (холодная фаза, далее), и вторую фазу, которая работает без перерыва в условиях горячего двигателя. Третий этап проводится для автомобилей с заявленной скоростью выше 130 км / ч. Начиная со стандарта Euro 3, выбросы при холодном запуске (возникающие во время холодной фазы) включаются в оценку коэффициентов выбросов для сравнения с предельными значениями. Тем не менее, мы всегда отбирали и анализировали холодную фазу в нашем исследовании даже для автомобилей, выпущенных до стандарта Euro 3, чтобы получить более реалистичные коэффициенты выбросов.Расчет средних выбросов твердых частиц за цикл движения был выполнен на основе весовых коэффициентов, представленных в дополнительных материалах для WLTC и ECE, в соответствии с исходными предписаниями Регламента EU 134/2014 (EU, 2014). Транспортные средства с механической коробкой передач следовали предписаниям по переключению передач, содержащимся в инструменте переключения передач WMTC того же постановления (EU, 2014).

Велосипедные циклы, использованные в этом исследовании, основаны на Регламенте ЕС 134/2014 (ЕС, 2014). Ездовые циклы ECE R47 и R40 представлены на верхней панели.WMTC для подкатегорий L1e, L2e, L5e-B и L6e и L3e, L4e, L5e-A, L7e представлены на нижней панели. В каждом случае показаны различные версии в зависимости от максимальной скорости автомобиля.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Выбросы PM и SPN23 и распределение по размерам

представляет средние выбросы PM и SPN23 для каждой подкатегории по ездовым циклам Euro 5 WMTC и Euro 4 ECE с холодным запуском (и соответствующие весовые коэффициенты, описанные в разделе 2.3), с соответствующими полосами погрешностей. до минимального и максимального уровней выбросов среди транспортных средств.Также представлены законодательные ограничения для категории L и легковых автомобилей. Различия между различными повторениями испытаний представлены коэффициентом вариации (CV, как среднее значение для всех транспортных средств в каждой подкатегории) в дополнительном материале. В большинстве случаев CV был ниже 25%, за исключением теста WLTC с квадрациклами, где наблюдались значения CV выше 45%. Уровни CV были довольно схожими между выбросами PM и SPN23, в то время как в большинстве случаев CV наблюдался в WMTC по сравнению с ECE.

Масса твердых частиц (ТЧ, верхняя панель) и количество твердых частиц с отсечкой по размеру при выбросах 23 нм (SPN23, нижняя панель) каждой подкатегории в ездовых циклах WMTC и ECE. Включены ограничения по PM категории L для Euro 4 и 5 (применимы только к двигателям CI и GDI) и законодательные ограничения SPN23 для легковых автомобилей Euro 6 (пунктирные линии). Планки погрешностей относятся к минимальным и максимальным значениям выбросов среди транспортных средств в каждой подкатегории.

Двухтактные мопеды и мини-автомобили с дизельным двигателем относятся к транспортным средствам с самым высоким уровнем выбросов твердых частиц, превышающим ограничение Euro 5 PM (4.5 мг / км, применительно к дизельным двигателям и двигателям прямого действия) в 14 и 11 раз, соответственно, по сравнению с WMTC. Соответствующие выбросы SPN23 оказались в 11 и 67 раз выше, соответственно, чем лимит Euro 6 для легковых автомобилей (6 × 10 ¹¹ км ^-1 ). Исследуемые микролитражки были оснащены дизельными двигателями без сажевого фильтра; поэтому неудивительно, что они оказались среди автомобилей с самым высоким уровнем выбросов. Высокие выбросы твердых частиц от мопедов 2S связаны с потерями при очистке цилиндров (Oswald and Kirchberger, 2018) и согласуются с другими исследованиями.Ntziachristos et al. (2003) и Martini et al. (2009) сообщили об уровнях выбросов ТЧ выше 100 мг / км для мопедов до стандарта Euro 2S, в то время как мопеды 2S с карбюратором, соответствующие стандарту Euro 2, производили до 50 мг / км ТЧ в течение цикла движения ECE R47 с холодным запуском (Martini et al., 2009 ; Адам и др., 2010). Favre et al. (2011) обнаружили, что выбросы ТЧ от мопеда Euro 3 2S составляли более 12 мг / км, а уровни выбросов SPN23 были близки к 10 ¹⁴ км ^-1 во время WMTC. Наконец, Giechaskiel et al. (2015) показали выбросы SPN23 от мопедов Euro 2 2S, близкие к 10 ¹³ км ⁻¹ в условиях холодной части ECE R47.

Если говорить о выбросах твердых частиц из других подкатегорий, то во всех случаях они были на порядок ниже, чем мопеды 2S и дизельные мини-автомобили, соответствующие пределу Euro 5 для категории L (4,5 мг / км), даже если это не относится к этим категориям. Большая разница в выбросах ТЧ (до одного порядка) между двигателями 2S и 4S также была показана в исследованиях Martini et al. (2009) и Favre et al. (2011), которые оценили несколько автомобилей категории L Евро 1-3. Выбросы ТЧ исследуемых мотоциклов согласуются с исследованием Costagliola et al.(2016), которые обнаружили, что выбросы твердых частиц от мотоцикла, соответствующего стандарту Евро-3, составляют примерно 1,5 мг / км. Кроме того, Favre et al. (2009) оценили 4 мотоцикла Euro 3 и показали выбросы в диапазоне 0,6–2,2 мг / км.

Что касается выбросов SPN23, то мопеды, мотоциклы и квадроциклы 4S были ниже, чем мопеды и мини-автомобили 2S, но в большинстве случаев все же превышали предел 6 × 10 ¹¹ км ^–1 . Уровни выбросов мопедов 4S над WMTC (11 × 10 ¹¹ км ^-1 ) согласуются с исследованием, проведенным Favre et al.(2011 г.) на автомобилях стандарта Euro 3. Giechaskiel et al. (2015) показали выбросы SPN23 от мопедов 4S выше 20 × 10 ¹¹ км ⁻¹ во время холодной части ECE и близко к 6 × 10 ¹¹ км ⁻¹ предел (кроме одного транспортного средства) за горячая часть. Выбросы SPN23 от мотоциклов в текущем исследовании оказались в 1,1–1,6 раза выше предела, и это согласуется с исследованием Favre et al. (2009), которые обнаружили выбросы SPN23 в диапазоне 2–9 × 10 ¹¹ км ^–1 над WMTC.Ntziachristos и Galassi (2014) сообщили о еще более высоких коэффициентах выбросов SPN для мотоциклов (12 × 10 ¹¹ км ⁻¹ ) на основе обзора соответствующих исследований. Исследуемые квадроциклы превысили лимит для легковых автомобилей Евро-6 в 5 раз, что согласуется с исследованиями, проведенными Giechaskiel et al. (2015) и Ntziachristos et al. (2008).

Выбросы твердых частиц не сильно различались между двумя ездовыми циклами в большинстве случаев выбросов SPN23, в то время как более высокие различия были обнаружены в PM.В мопедах, квадроциклах и микроавтобусах 4S выбросы ТЧ по WMTC были (в 1,8–3 раза) выше, чем с ездовыми циклами ECE, но для мотоциклов наблюдалась противоположная тенденция (данные PM по ECE доступны только для 1 мотоцикла), в то время как с Мопеды 2S, ездовые циклы WMTC и ECE были на одном уровне. Примечательно, что когда подкатегория соответствовала пределу PM или SPN23 по WMTC, она также соответствовала ездовому циклу ECE, за исключением случая SPN23 мопедов 4S. Эта тенденция подтвердилась, когда отдельно учитывались выбросы отдельных транспортных средств.

представляет распределение твердых частиц по размерам для 5 транспортных средств категории L (мопеды 2S и 4S и квадроциклы) по WMTC с соответствующим средним геометрическим диаметром (GMD), который варьируется для разных транспортных средств в диапазоне от 20,9 до 35,7 нм. в то время как различия также наблюдаются среди транспортных средств той же подкатегории. Исследования Giechaskiel et al. (2015) и Czerwinski et al. (2010) на мопедах 2S и 4S сообщили об аналогичных уровнях GMD в диапазоне 20–40 нм. Довольно низкие значения GMD указывают на то, что область размером менее 23 нм может вносить значительный вклад в выбросы SPN, таким образом, ограничение SPN23 может не включать большую часть излучаемых частиц.Этот вывод дополнительно анализируется в разделе 3.3.

Числовое распределение твердых частиц по WMTC для 5 транспортных средств категории L (два мопеда 2S, один мопед 4S и два квадроцикла). Значения на каждой кривой соответствуют среднему геометрическому диаметру.

3.2. На пути к стандарту Euro 5

Стандарт Euro 5 вводит ограничение на ТЧ 4,5 мг / км для всех транспортных средств категории L, оснащенных двигателями CI или GDI. Однако, как было показано ранее, другие автомобили также производили с высоким содержанием ТЧ (мопеды 2S), в то время как выбросы SPN23 в большинстве подкатегорий были близки или превышали лимит для легковых автомобилей Euro 6 (в 5 и 12 раз выше в случае квадроциклов и мопедов 2S соответственно. ).представлены уровни выбросов PM и SPN23 для каждого тестового автомобиля (Евро 1–4) при холодном запуске WMTC. Общая линейная аппроксимация 5,6 × 10 ¹¹ p / мг может быть установлена ​​с довольно большими вариациями между носителями, которые охватывают данные в диапазоне от 0,3 × 10 ¹¹ до 20 × 10 ¹¹ p / мг. Наилучшее соответствие ниже, чем экспериментальное соответствие Giechaskiel et al. (2012) (в основном дизельные легковые и тяжелые автомобили), Джоши и Джонсон (2018) (в основном GDI) около 20 × 10 ¹¹ p / мг, и Giechaskiel et al.(2019c) 12 × 10 ¹¹ p / мг (мотоциклы Euro 4). Таким образом, более низкая пригодность для транспортных средств категории L означает либо больший средний размер частиц (маловероятно), либо более высокую долю летучих веществ в массе ТЧ (наиболее вероятно), чем в предыдущих случаях.

Зависимость массы твердых частиц (ТЧ) от количества твердых частиц с отсечкой по размеру при выбросах 23 нм (SPN23) каждого исследуемого носителя. Проиллюстрированы лимиты PM категории L для Euro 4 и 5 и лимит SPN23 для легковых автомобилей Euro 6. Транспортные средства сгруппированы по подкатегориям, представленным в.Эллипсы построены вокруг точек данных категорий, чтобы направлять взгляд.

В нижеследующем обсуждении оценивается, следует ли распространить ограничение Euro 5 PM на другие технологии двигателей и должно ли введение ограничения SPN, по аналогии с легковыми автомобилями, применяться к некоторым L-подкатегориям.

3.2.1. 2-тактные мопеды

Двухтактные мопеды (подкатегория L1e-B, включая автомобили L1e-A и L2e-U) имели самый высокий PM (в 14 раз превышающий предел 4,5 мг / км как в WMTC, так и в ECE) и вторые по величине выбросы SPN23 в текущем исследовании (в 11 и 12 раз превышающие лимит для легковых автомобилей Euro 6 в WMTC и ECE, соответственно).Все исследованные мопеды 2S (Euro 1 и 2) были оснащены карбюраторной топливной системой, которая является доминирующей технологией в парке мопедов, и поэтому ограничение Euro 5 PM к ним не применимо. Тем не менее, ожидается, что рыночная доля мопедов 2S будет значительно сокращена на этапе Euro 5 (вместо этого ожидается 4S с впрыском топлива) из-за их неспособности соответствовать ограничениям на выбросы общих углеводородов (THC) (Ntziachristos et al., 2017). Выбросы твердых частиц и углеводородов тесно взаимосвязаны, как показали предыдущие исследования (Martini et al., 2009; Spezzano et al., 2009; Ntziachristos et al., 2017) и подтверждается результатами, представленными в дополнительном материале, в котором представлена ​​корреляция THC-PM для мопедов 2-S по ездовым циклам WMTC и ECE. Таким образом, ожидается, что сокращение выбросов THC на уровне Евро 5 также окажет положительное влияние на выбросы твердых частиц. Однако важно, чтобы в случае утверждения типа 2S в соответствии с Euro 5 в последующие годы их мониторинг продолжался, чтобы подтвердить ожидания.Снижения выбросов можно достичь с помощью передовых систем впрыска топлива, таких как электронный карбюратор или системы прямого впрыска с контролем впрыска вторичного воздуха HC (Ntziachristos and Galassi, 2014; Winkler et al., 2016), оптимизированной дозировкой смазочного масла и высококачественным маслом ( например, синтетическое масло с низким содержанием серы и ПАУ) и улучшенное топливо (например, алкилатное топливо или смеси бензина с этанолом) (Ålander et al., 2005; Czerwinski et al., 2009; Morin et al., 2011; Zardini et al., 2014).

3.2.2. 4-тактные мопеды

Что касается мопедов 4S (подкатегория L1e-B, все соответствуют стандарту Euro 2), выбросы PM уже будут соответствовать пределу Euro 5 во всех случаях, кроме автомобиля 9, хотя этот предел не будет применяться, потому что ни один из автомобилей не оборудован двигателем CI или GDI. Автомобиль 9 также превысил (в 5 раз) лимит выбросов SPN23 для легковых автомобилей Евро 6, а автомобиль 8 превысил этот лимит в 3 раза. Интересно, что выбросы твердых частиц этого автомобиля были очень близки к 4.Предельное значение 5 мг / км, указывающее на то, что даже если лимит ТЧ Евро 5 будет продлен, этого может быть недостаточно для исключения транспортных средств с высокими выбросами SPN23. Как и в случае с мопедами 2S, ожидается сокращение доли рынка мопедов 4S на уровне 5 евро, особенно из-за более строгого ограничения THC по сравнению с евро 4 (Ntziachristos et al., 2017). Выбросы ТГК и твердых частиц могут быть уменьшены за счет улучшенного впрыска топлива с более короткими периодами впрыска во избежание смачивания стенок и поршня и использования высококачественного топлива, такого как алкилатный бензин (Zardini et al., 2014) и смеси этанола (Czerwinski et al., 2010), но ожидается, что это увеличит стоимость, что еще больше уменьшит их и без того падающий размер рынка.

3.2.3. Мотоциклы

В случае мотоциклов (подкатегории L3e-A1, L3e-A2 и L3e-A3) выбросы ТЧ были в 1,5-17 раз ниже, чем предстоящий лимит Евро 5 для всех исследуемых транспортных средств (Евро 3 и 4), в диапазон 0,27–3 мг / км. Обратите внимание, что этот предел не будет применяться к тестовым автомобилям, поскольку ни один из них не был оборудован двигателем CI или GDI.

Были обнаружены большие различия в выбросах SPN23 среди изученных мотоциклов, варьирующиеся от 2 × 10 ¹¹ км ⁻¹ до 20 × 10 ¹¹ км ⁻¹ . Ориентируясь на Euro 4 (автомобили 20, 22 и 24), два из трех автомобилей превысили предел 6 × 10 ¹¹ км ⁻¹ (на 50% и в 3 раза выше), хотя, как уже упоминалось, выбросы ТЧ были хорошими. ниже предела 4,5 мг / км. Это указывает на то, что даже если ограничение Euro 5 PM будет распространено на мотоциклы PFI, транспортные средства с высокими выбросами SPN все равно могут быть не идентифицированы.Однако следует отметить, что, как и в случае с мопедами, ожидается, что выбросы THC от мотоциклов уменьшатся на уровне Евро 5, чтобы соответствовать более строгим ограничениям (снижение на 74% по сравнению с Евро 4, для автомобилей с максимальной скоростью ниже. более 130 км / ч), поэтому можно ожидать, что выбросы твердых частиц также уменьшатся.

3.2.4. Quads

Как показано в, в этой подкатегории (L7e-B) были сформированы две отдельные группы выбросов из-за разных выбросов SPN23.В первой группе (автомобили 25 и 27) выбросы SPN23 были значительно ниже предела Euro 6 для легковых автомобилей (в диапазоне 2,5–4,3 × 10 ¹¹ км ^–1 ), а во второй (автомобили 26 и 28 ) они были на порядок выше. Столь высокая разница может быть объяснена разным типом применения каждого транспортного средства. Высокие выбросы транспортного средства 26 (например, спортивного, бок о бок багги, предназначенного для скоростного проезда трассы) объясняются обогащением топлива, о чем свидетельствует тот факт, что выбросы углеводородов в 3 раза выше, чем в среднем у других квадроциклов.С другой стороны, автомобили с низким уровнем выбросов (25 и 27) были вездеходами (ATV) с более высоким центром тяжести и менее спортивным характером.

Выбросы ТЧ находятся в относительно узком диапазоне (2–7 мг / км) даже для транспортных средств с высокими выбросами SPN23. Ограничение Euro 5 PM (4,5 мг / км) не будет применяться ни к одному из этих транспортных средств, потому что все они были оснащены бензиновыми двигателями PFI (Euro 2). Несоответствие между выбросами PM и SPN23 показывает, что даже если ограничение PM будет применяться к квадроциклам PFI, транспортные средства с высокими выбросами SPN не будут идентифицированы.Несмотря на низкую долю рынка (ЕС, 2010), квадроциклы используются в туристических зонах, в горах и на прибрежных тропах, которые предположительно предлагают высокие стандарты качества воздуха. Таким образом, на них следует обратить особое внимание, чтобы идентифицировать любые автомобили с потенциально высоким уровнем выбросов. В этом направлении следует изучить вопрос о введении ограничения SPN для этой подкатегории.

3.2.5. Minicars

Выбросы дизельных микролитражных автомобилей SPN23 (подкатегория L6e-B, Euro 2) на 2 порядка превышали лимиты для легковых автомобилей Euro 6, при этом выбросы ТЧ также были высокими, в диапазоне 32–65 мг / км.Они соответствовали мягкому пределу PM Euro 4, но поскольку они попадают в сферу действия ограничения Euro 5 PM в 4,5 мг / км, производителям придется значительно улучшить технологии трансмиссии и, вероятно, установить DPF по аналогии с мерами, применяемыми к свету. — служебные автомобили (Ntziachristos, Galassi, 2014; Oso et al., 2017). Эти меры повысят стоимость и сложность, при этом следует учитывать ограниченное пространство (Ntziachristos et al., 2017). Вследствие особо строгих технических требований эта подкатегория предполагала отступление от стандарта Евро 5, который был перенесен на 2022 год (EU, 2018b, 2018a).Другой возможный сценарий — это электрификация мини-автомобилей в виде полностью или гибридных электрических силовых агрегатов (Cahill, 2013; Santucci et al., 2016; Ntziachristos et al., 2017). Если гибриды будут оснащаться двигателями CI или GDI, все равно потребуется оптимизация для соответствия пределу Euro 5.

Хотя мини-автомобили в настоящее время составляют всего 1% парка L-категории, и поэтому их влияние на выбросы невелико по абсолютным значениям (ЕС, 2010; Ntziachristos et al., 2017), необходимо пристальное внимание, поскольку эти автомобили в основном управляются в центре города или недалеко от него.Кроме того, ожидается, что мини-автомобили станут популярным средством передвижения в современных густонаселенных городах (Cahill, 2013; Pavlovic, 2015; Karaca et al., 2018) из-за их небольшого размера, низкого расхода топлива и комфорта, сопоставимого с небольшими легковыми автомобилями. , а также снижение административной нагрузки (в большинстве европейских стран ими можно управлять с шестнадцати лет). Количественная оценка потенциального воздействия этих транспортных средств на загрязнение воздуха в городах будет зависеть от размера и состава городского парка. Тем не менее, даже если воздействие будет небольшим, остается вопрос, связанный с политикой: разрешает ли ведомство использовать частный 2-местный автомобиль, который загрязняет окружающую среду, как старые дизельные автомобили без сажевого фильтра.Наконец, ожидается, что минивэны, принадлежащие к той же категории, будут широко использоваться в качестве средства коммерческого транспорта в больших городах (Cahill, 2013), в то время как муниципальные мероприятия (например, уборка улиц и вывоз мусора) также могут обслуживаться этим транспортным средством. тип.

3.2.6. Заключительные замечания

Обобщая представленный выше анализ, авторы считают, что предел ТЧ Евро 5 должен быть расширен на автомобили с двигателями 2S или должен быть введен предел SPN, поскольку их уровни выбросов были близки к дизельным транспортным средствам. .В случае мопедов, мотоциклов и квадроциклов 4S выбросы ТЧ уже находятся на низком уровне, но это не относится к выбросам SPN23. Принимая во внимание, что предел 4,5 мг / км соответствует не менее 60 × 10 ¹¹ км ⁻¹ (на основе, Giechaskiel et al., 2012, 2019c и Joshi and Johnson, 2018), т.е.> 10 раз выше Ограничение SPN23 для легковых автомобилей Euro 6, ограничение PM не будет достаточным для обнаружения транспортных средств с выбросами SPN23 выше текущего уровня для легковых автомобилей.

Ожидается, что рост продаж автомобилей категории L (в основном за счет мотоциклов) (Dorocki, 2018; ACEM, 2019b) и сокращение выбросов SPN23 легковых автомобилей в связи с ужесточением законодательства (Williams and Minjares, 2016), приведет к увеличить относительный вклад категории L в выбросы SPN от транспортных средств в течение следующих лет. Таким образом, автомобили категории L будут являться основным источником загрязнения с точки зрения SPN, особенно в городских районах. По этой причине важно, чтобы нынешние автомобили Euro 4 и Euro 5 подверглись тщательной проверке, чтобы оценить, потребуются ли дальнейшие действия, такие как введение ограничения SPN.То же самое относится и к дизельным микролитражкам, поскольку их выбросы SPN также не будут подпадать под какие-либо нормативные ограничения.

3.3. Частицы менее 23 нм и общее количество частиц

представляют отношения выбросов SPN10 / SPN23 (верхний график) и TPN10 / SPN10 (нижний график) для каждой подкатегории по ездовым циклам WMTC и ECE. Между различными подкатегориями наблюдается большой диапазон обоих соотношений. Если говорить о выбросах SPN10, они были почти идентичны выбросам SPN23 дизельных мини-автомобилей, и это согласуется с низкой фракцией SPN менее 23 нм, наблюдаемой в дизельных легковых автомобилях без DPF (Giechaskiel et al., 2017, 2018). С другой стороны, высокое соотношение SPN10 / SPN23 (порядка 2,4) наблюдается у квадроциклов над WMTC. В других подкатегориях выбросы SPN10 были на 25–67% выше выбросов SPN23. Подобные результаты были представлены Giechaskiel et al. (2015) для транспортных средств категории L, которые обнаружили, что частицы размером 10–23 нм составляют 10–80% выбросов выше 23 нм, хотя в некоторых транспортных средствах можно наблюдать значительно более высокие фракции. Эти проценты не были скорректированы с учетом потерь частиц размером менее 30 нм, которые могут почти удвоить указанные проценты (Giechaskiel et al., 2019a, 2019b, 2019c, 2019d). Соотношение TPN10 / SPN10 значительно различается между различными подкатегориями, особенно по WMTC. Самые высокие показатели наблюдаются у квадроциклов и мотоциклов: выбросы TPN10 в 5,3 и 4,4 раза выше, чем SPN10 соответственно. С другой стороны, в дизельных микролитражках соотношение TPN10 / SPN10 близко к 1, что указывает на то, что в выхлопных газах дизельных двигателей преобладают твердые частицы размером более 23 нм.

Количество выбросов твердых частиц (SPN) с отсечкой по размеру при 10 нм (SPN10) по сравнению с выбросами SPN более 23 нм (SPN23) (верхний график) и общее количество (твердых и летучих) выбросов частиц с отсечкой по размеру при 10 нм (TPN10) по SPN10 (нижний график) для каждой подкатегории по ездовым циклам WMTC и ECE.Планки погрешностей относятся к минимальным и максимальным соотношениям, наблюдаемым среди транспортных средств в каждой подкатегории.

Эти данные указывают на то, что области размером менее 23 нм могут составлять значительную часть выбросов твердых частиц от транспортных средств категории L в виде твердых или летучих частиц. Тем не менее, измерение твердых и летучих частиц в этой области может быть подвержено артефактам, которые могут возникать из-за высвобождения материала из стенок передаточной линии во время событий высокой температуры выхлопных газов, особенно от транспортных средств, которые обычно выбрасывают большие количества таких компонентов (Maricq et al. ., 1999; Ntziachristos et al., 2004; Giechaskiel, 2019a). Потенциал образования артефактов можно визуализировать, глядя на временные ряды выбросов квадроцикла (транспортное средство 26, WMTC с холодным запуском), представленные на. Явное увеличение выбросов SPN10 и особенно TPN10 можно наблюдать во время последней части ездового цикла (800–1200 с) по сравнению с выбросами SPN23, когда температура выхлопных газов является самой высокой (до 580 ° C). Это может быть причиной высоких долей SPN10 и TPN10 в квадроциклах, представленных в.

Представлены временные ряды SPN с размером отсечки при 10 и 23 нм (SPN10 и SPN23 соответственно) и общим числом (твердых и летучих) частиц с отсечкой при 10 нм (TPN10) по сравнению с WMTC холодного старта. . Также показана температура выхлопных газов в выхлопной трубе автомобиля.

Каким бы ни был источник летучих и полулетучих фракций, текущая методология измерения SPN23, предписанная PMP (Andersson et al., 2007), может оказаться недостаточной для исключения высоких фракций этих веществ.Следовательно, артефакты в измерениях выбросов твердых частиц также могут возникать из-за зарождения этих летучих и полулетучих веществ, и ожидается, что это будет иметь значение в области менее 23 нм (Giechaskiel et al., 2015). Таким образом, для транспортных средств категории L рекомендуется каталитический стриппер для измерений менее 23 нм. Недавние исследования также показали, что использование смесительного тройника или передаточной трубы в открытой конфигурации может минимизировать эти артефакты из-за снижения температуры выхлопных газов (Giechaskiel, 2019b; Giechaskiel et al., 2019г).

3.4. Эффект холодного пуска

представляет абсолютные уровни выбросов SPN23 на холодной фазе (вертикальная ось) и в течение всего ездового цикла ECE (горизонтальная ось), выбранных потому, что его холодная и горячая части имеют одинаковые профили скорости. Также показаны ограничение SPN23 для легковых автомобилей Euro 6 и линия y = x. Как и ожидалось, относительный эффект холода значительно выше у транспортных средств с общим низким уровнем выбросов по сравнению с автомобилями с высокими выбросами, в которых средние за цикл выбросы были почти на том же уровне, что и в холодной фазе: источники с низким уровнем выбросов производят большую часть загрязняющих веществ в холодная фаза.Интересное наблюдение было получено для транспортных средств 10, 12, 14, 18, 27, в которых средние за цикл выбросы были ниже предела для легковых автомобилей, но выбросы в холодной фазе оказались в 2,2 раза выше этого предела. Принимая во внимание, что в течение дня при реальной эксплуатации (из-за быстрого охлаждения маломассивных двигателей L-категории) может происходить несколько холодных или полужидких событий, эти результаты показывают, что работа в условиях холодного двигателя может значительно повлиять на L -категория выбросов твердых частиц.

Число твердых частиц с отсечкой по размеру при 23 нм (SPN23), выбросы в течение холодной фазы (вертикальная ось) и всей продолжительности рабочего цикла ECE (R40 или R47) (горизонтальная ось).

Тем не менее, значительные различия могут наблюдаться даже в пределах той же подкатегории, как показано на, который иллюстрирует выбросы SPN23 в течение цикла движения ECE R40 с холодным запуском для двух квадроциклов. В первом транспортном средстве (транспортное средство 25, верхний график) 87% совокупных выбросов SPN23 приходится на холодную фазу (первые два элементарных режима ездового цикла ECE).Во втором транспортном средстве (транспортное средство 26, нижний график) выбросы SPN23 были стабильно высокими в течение всего цикла, при этом только 38% совокупного SPN23 выбрасывались во время холодной фазы. Это связано с обогащением топлива в течение всего цикла движения (выбросы THC были в 8 раз выше по сравнению с первым автомобилем).

SPN23 — выбросы двух крайних случаев (высокий и низкий эффект холода на верхнем и нижнем графиках, соответственно) в подкатегории квадроциклов. Также показаны скорость автомобиля и температура охлаждающей жидкости двигателя.

4. Выводы

В текущем исследовании представлены измерения выбросов твердых частиц от 30 транспортных средств категории L, соответствующих стандартам Euro 1–4 и являющихся репрезентативными для текущего парка автомобилей в ЕС. Цель заключалась в том, чтобы выявить наиболее загрязнителей и оценить, необходимы ли дальнейшие меры (например, расширение предела PM на другие типы двигателей и / или введение предела SPN) для этапа Euro 5, чтобы гарантировать, что проникновение только чистых транспортных средств в магазине.

Выбросы во время предписанных циклов езды на роликовой скамейке показали, что мопеды 2S (подкатегория L1e-B) и дизельные мини-автомобили (подкатегория L6e-B) представляют собой автомобили с самым высоким уровнем выбросов PM и SPN23. Предел ТЧ Евро 5 (4,5 мг / км) будет применяться к дизельным мини-автомобилям, поэтому ожидается значительное сокращение выбросов за счет модернизации двигателя и последующей обработки, если такие автомобили все еще существуют в ступени Евро 5. Расширение этого предела (и / или введение предела SPN23) предлагается также для транспортных средств 2S, чтобы добиться сокращения выбросов до того, как они смогут выйти на рынок.Выбросы ТЧ других подкатегорий и типов двигателей уже были ниже или близки к нормам Евро 5, в то время как на ступенях Евро 4 и 5 ожидаются дополнительные усовершенствования двигателей и последующей обработки.

Интересный вывод был сделан по выбросам SPN23, которые в большинстве случаев превышали лимит SPN23 для легковых автомобилей Euro 6. Наряду с 2S и дизельными двигателями, выбросы SPN23 двигателей 4S PFI (например, квадроциклов, мотоциклов) были до 5 раз выше, чем предел для легковых автомобилей Euro 6, и это наблюдалось даже в случае недавних мотоциклов Euro 4.Эти результаты показывают, что одного ограничения PM может быть недостаточно для обеспечения утверждения типа чистых транспортных средств на рынке, и поэтому может потребоваться введение ограничения SPN. Однако, поскольку этот вывод был основан на транспортных средствах стандарта Euro 4, рекомендация должна быть подтверждена выбросами реальных транспортных средств стандарта Euro 5.

Частицы размером менее 23 нм составляли значительную часть испускаемых частиц, при этом среднее соотношение SPN10 / SPN23 составляло до 2,4 для квадратов. Выбросы общих (твердых и летучих) частиц также оказались высокими в области менее 23 нм (TPN10 / SPN10 = 4.4 и 5.3 от мотоциклов и квадроциклов соответственно по WMTC). Тем не менее, следует уделить особое внимание интерпретации этих результатов, чтобы избежать помех от артефактов, особенно из-за большой доли летучих выхлопных газов. Наконец, было обнаружено, что холодный запуск является основным источником выбросов SPN23, при этом выбросы в холодной фазе в 2,2 раза превышают предельное значение для легковых автомобилей для транспортных средств со средним циклом выбросов ниже этого предела.

Заявление об ограничении ответственности

Мнения, выраженные в этой рукописи, принадлежат авторам и никоим образом не должны рассматриваться как официальное мнение Европейской комиссии.Упоминание торговых наименований или коммерческих продуктов не означает одобрения или рекомендации авторов Европейской комиссии.

Выражение признательности

Мы благодарны техническим специалистам лабораторий VELA в Европейской комиссии — JRC за их поддержку, и в особенности Доминику Лезеуэру, Мауро Кадарио, Филиппу Ле Лижуру, Андреа Бонамин и Гастону Ланаппе. Авторы также хотели бы поблагодарить Уиллара Вонка, Пима ван Менша и Митча Элстгеста из TNO и Георгиоса Триантафиллопулоса (Эмисия С.A) за их поддержку во время измерительной кампании.

Финансирование

Авторы из Европейской комиссии не получали какого-либо специального гранта от финансирующих агентств в государственном, коммерческом или некоммерческом секторах. Работа, выполненная авторами из Университета Аристотеля и Emisia S.A., была частично профинансирована Европейской Комиссией (Европейский Союз) в рамках проекта «Исследование воздействия экологической ступени Евро 5 для транспортных средств категории L» [номер проекта: 060.18277].

Приложение A. Дополнительные данные

Ниже приведены дополнительные данные к этой статье:

Ссылки

границ | Коэффициенты выбросов для парка такси, работающего на сжиженном нефтяном газе (СНГ), в зависимости от скорости движения и уклона дороги

Введение

Сжиженный углеводородный газ (LPG), также часто называемый «автогазом», наряду со сжатым природным газом (CNG), является наиболее распространенным альтернативным топливом для автомобилей (U.С. Министерство энергетики, 2017). Более 25 миллионов автомобилей, работающих на сжиженном нефтяном газе, эксплуатируются во всем мире (WLPGA, 2016), в то время как 7,4 миллиона автомобилей работают в Европе по состоянию на 2015 год [Европейская обсерватория альтернативных видов топлива (EAFO), 2015]. Мировое потребление автомобильного сжиженного нефтяного газа увеличилось с 2009 по 2015 год на 24%, хотя его использование ограничено в довольно небольшом количестве стран: всего на пять стран в совокупности приходилось половину мирового потребления сжиженного нефтяного газа в 2015 году (WLPGA, 2016).

За последние два десятилетия было проведено несколько исследований воздействия на окружающую среду использования сжиженного нефтяного газа в транспортных средствах.В целом, выбросы оксидов азота (NO _x ) от транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе, кажутся ниже, чем с дизельными и бензиновыми автомобилями (Jeuland and Montagne, 2004; WLPGA, 2016), хотя модифицированный сжиженный нефтяной газ фактически может иметь гораздо более высокие уровни (Vonk et al., 2010). Преимущество перед дизельным топливом следует ожидать благодаря более низкой температуре сгорания при искровом зажигании (СНГ, бензин), чем при сгорании дизельного топлива. Разницу по сравнению с бензином объяснить труднее. Слегка обедненное сгорание в двигателях с искровым зажиганием в целом увеличивает выбросы NOx из-за большей доступности кислорода и повышенной температуры по сравнению со стехиометрическим сгоранием, а также за счет ингибирования реакций восстановления в каталитическом нейтрализаторе.Незначительные изменения в измерении соотношения воздух / топливо при смене топлива, например, из-за влияния различных характеристик газа на датчик кислорода в выхлопной линии, повлияют на выбросы NO _x в соответствии с новым соотношением воздух / топливо. По той же причине влияние сжиженного нефтяного газа на бензин в выбросах окиси углерода (CO) также оказывается различным. Pundkar et al. (2012) сообщили, что сжиженный нефтяной газ производит меньше CO, чем бензиновые (и дизельные) автомобили, в то время как Jeuland and Montagne (2004) и WLPGA (2016) сообщили об обратном.Следовательно, оценка относительного воздействия сжиженного нефтяного газа на NOx и CO требует измерений на реальных транспортных средствах.

Воздействие сжиженного нефтяного газа на обычное топливо кажется более равномерным в отношении летучих органических соединений (ЛОС) и твердых частиц (ТЧ), при этом использование сжиженного нефтяного газа превосходит характеристики бензина и дизельного топлива (Jeuland and Montagne, 2004; Pundkar et al., 2012; Лим, Ким, 2013; Хайнце, Земборски, 2016). Это можно объяснить газообразной природой, высокой смешиваемостью и низкой молекулярной массой сжиженного нефтяного газа.Газообразная природа позволяет избежать чрезмерной концентрации топливных углеводородов в холодных точках (например, в объеме мешка топливного инжектора и в щелях поршня / стенки), которые в конечном итоге не сгорят в виде ЛОС в выхлопных газах. Высокая смешиваемость снижает склонность к образованию прекурсоров ТЧ, которые образуются в богатых топливом карманах внутри цилиндра. Наконец, низкая молекулярная масса означает высокую летучесть углеводородов выхлопных газов из топлива и их распределение в основном в газообразную, а не в твердую фазу.

Выбросы парниковых газов (ПГ), с упором на двуокись углерода (CO ₂ ), по-видимому, на 9–20% ниже у автомобилей, работающих на сжиженном нефтяном газе, чем у бензиновых, согласно литературным источникам (Jeuland and Montagne, 2004; Antes et al., 2009; Министерство транспорта США (DOT) и Центр прогнозирования изменения климата и окружающей среды, 2010 г .; Heidt et al., 2013; Huss et al., 2013; COWI, 2015), благодаря более высокому соотношению H / C сжиженного нефтяного газа по сравнению с бензиновым топливом. Хотя автомобили, работающие на дизельном топливе, кажутся по крайней мере такими же хорошими и на 15% меньше выбросов CO ₂ , чем автомобили, работающие на сжиженном нефтяном газе (Jeuland and Montagne, 2004; Министерство транспорта США (DOT) и Центр по изменению климата и прогнозированию окружающей среды, 2010; Heidt et al., 2013; Huss et al., 2013; COWI, 2015), благодаря своей превосходной топливной экономичности.

Большая часть этих более ранних данных о характеристиках транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе, основана на лабораторных испытаниях. В настоящее время использование портативных систем измерения выбросов (PEMS) предлагает дополнительные возможности для определения характеристик выбросов. PEMS можно использовать для сбора репрезентативных данных о реальной эксплуатации транспортных средств в различных условиях вождения, и они наиболее полезны для разработки и проверки коэффициентов выбросов (EF) (Franco et al., 2013). Тем не менее, применение испытаний PEMS для независимой оценки характеристик выбросов транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе, очень ограничено. Хайнце и Земборски (2016) измерили два двухтопливных бензиновых / сжиженных нефтяных газа Евро 5 и один автомобиль Евро 6, в том числе два с прямым впрыском, и продемонстрировали положительное влияние сжиженного нефтяного газа на выбросы твердых частиц и его удельное воздействие на автомобиль в NO _x и выбросы CO. Lau et al. (2011) сообщили о выбросах от четырех такси со сжиженным нефтяным газом от Евро 2 до Евро 4 в Гонконге (HK).Это исследование показало, что уровни выбросов на дорогах реальных транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе, значительно превышают пределы выбросов, и это связано с плохим техническим обслуживанием в сочетании с интенсивным использованием транспортных средств.

Немногочисленные доступные исследования относятся только к небольшой выборке транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе. Необходимы дополнительные доказательства, чтобы сделать надежные выводы о показателях выбросов транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе, в реальных условиях. В текущем исследовании изучаются показатели выбросов 18 такси, работающих на сжиженном нефтяном газе, в том числе до стандартов Euro 4, Euro 4 и Euro 5, путем анализа измерений PEMS, собранных в период с 2009 по 2016 годы.Измерения в различных условиях движения и эксплуатации позволяют дифференцировать уровни выбросов в зависимости от нормы выбросов, скорости движения и уклона дороги. Более того, мы пытаемся предоставить руководство о том, как посекундные измерения PEMS могут быть интегрированы в пространстве или во времени для получения соответствующих коэффициентов выбросов, которые будут использоваться для целей инвентаризации с различным разрешением.

Экспериментальный

Образец транспортного средства состоит из 18 работающих на сжиженном нефтяном газе такси одного производителя (Crown, часть бренда Toyota), работающих в Гонконге, с технологией от Euro 2 до Euro 5.Одно из такси Euro 4 также было включено в исследование Lau et al. (2011) и резюмируется в текущем исследовании вместе с выбросами еще 8 такси Euro 4. Все автомобили оснащены 4-цилиндровым двигателем ³ объемом 2000 см, автоматической коробкой передач и трехкомпонентным катализатором (TWC). Технические характеристики испытательного автомобиля сгруппированы в соответствии с их европейским стандартом в дополнительной таблице 1, представленной в дополнительном материале. Такси Euro 2 и Euro 3 сгруппированы в одну категорию стандарта Euro, т.е.е., до Euro 4. Что касается пройденного расстояния, некоторые автомобили до Euro 4 и Euro 4 превысили максимальное показание одометра (1 миллион км), поэтому возраст транспортного средства вместо общего пробега указан в качестве индикатора использования. история. Транспортные средства тестировались либо до, либо после, либо до и после замены TWC и лямбда-зонда, как также указано в дополнительной таблице 1. Два автомобиля до стандарта Euro 4, испытанные как до, так и после замены TWC и лямбда-зонда, были испытаны с замененным контролем выбросов. системы через 4 года после испытаний с оригинальными.

Измерения проводились с использованием так называемых экспериментов по «преследованию» или «слежению», т. Е. Отслеживанию такси при их обычном обслуживании, так что реалистичные условия вождения были отражены в профиле вождения. Такси с инструментами PEMS управлялось опытным таксистом, в то время как оно следовало за целевым такси, управляемым неинформированным таксистом, так что никаких предубеждений в отношении вождения или профиля работы не возникло. Целевое такси время от времени менялось, чтобы избежать подозрений в преследовании водителя.Таким образом, выборка состояла из реальных профилей вождения такси, включая несколько поездок в центр города в различных условиях пробок, а также больше поездок по сельской местности и некоторых поездок по автомагистралям. Выбранный набор данных включает только горячую операцию и никаких событий холодного запуска. Вес оборудованных такси, включая PEMS и водителя, в среднем составлял 1750 кг (от 1600 до 1930 кг).

На рисунке 1 показана типичная установка PEMS. Оборудование, используемое для измерений, включало SEMTECH-DS PEMS для измерения CO, CO ₂ , NO, NO ₂ и THC.Положение регистрировалось как системой счисления мертвых точек Trimble, так и системой глобального позиционирования (GPS), расход выхлопных газов с помощью расходомера выхлопных газов SEMTECH EFM-2 или EFM-HS, скорость автомобиля с помощью спидометра Peiseler (рабочий диапазон: 0–250 км. / ч), условия окружающей среды (температура и относительная влажность) с помощью датчика погоды SEMTECH и атмосферное давление с помощью барометра.

Рисунок 1 . Типичная конфигурация измерительного оборудования на измеряемом транспортном средстве.

В дополнение к дорожным измерениям, динамометрические испытания шасси были проведены на такси, работающем на сжиженном нефтяном газе Евро 5, для определения характеристик углеводородов, а также концентраций нерегулируемых загрязнителей, включая аммиак (NH ₃ ) и закись азота ( N ₂ O), используя газоанализатор для инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) (Best Instruments BOB-1000FT).FTIR — это довольно тяжелое, громоздкое и потребляющее большую мощность оборудование, которое можно перевозить по дороге легковыми автомобилями, поэтому динамометрические испытания шасси были единственным вариантом. Этому такси было 5 лет, с пробегом 909 971 км, с оригинальной системой контроля выбросов. Три различных ездовых цикла были настроены на динамометрическом стенде шасси для представления типичных условий вождения в Гонконге, их профили показаны на Рисунке 2. «Городской», «смешанный» и «круизный» циклы имели средние скорости 11, 25, и 39 км / ч соответственно.

Рисунок 2 . Динамометрический стенд проверяет образцы ездового цикла; городской (слева), микс (в центре), круиз (справа).

Типичное автомобильное сжиженное нефтяное топливо, используемое в Гонконге, состоит из смеси бутан-бутилен (70–80%), остальная часть в основном представляет собой пропан-пропилен, в то время как общее содержание серы в топливе ограничено до 200 частей на миллион (электрические и механические службы Департамент Гонконга (EMSDHK), 2017).

Результаты и обсуждение

Условия эксплуатации Характеристики

На рисунке 3 показаны типичные записи основных сигналов во время отключения в смешанных условиях эксплуатации, графически представленные на карте рисунка 4.На верхней панели на Рисунке 3 показаны скорость руления и высотный профиль испытательного маршрута, в то время как температура выхлопных газов (выхлопная труба) и значение лямбда (рассчитанное в соответствии с ISO16183: 2002) показаны на средней панели, а NO _x , CO и THC указаны в нижнем. Эта поездка проводится на окраине города и предполагает различные дорожные условия. Записи показывают типичную изменчивость, наблюдаемую в обычных условиях вождения, вызванную дорожным движением и холмистыми условиями Гонконга.Температура выхлопных газов в выхлопной трубе варьируется в диапазоне 120–250 ° C, в то время как диапазон соотношения воздух / топливо (12,8–20,3 кг воздуха / кг топлива) указывает на довольно свободный контур управления соотношением воздух / топливо. В результате выбросы загрязняющих веществ, кажется, значительно изменяются в течение поездки, проявляя резкий характер.

Рисунок 3 . Пример дорожной поездки (автомобиль до Euro 4O) с профилями записанных сигналов. Вверху: скорость и высота, в центре: температура выхлопных газов и значение лямбда, внизу: NO _x , массовые выбросы CO и THC.

Рисунок 4 . Точечные записи сигнала GPS (красные точки) поездки, представленные на Рисунке 3.

Такие записи выбросов были проведены для окружающей среды, местности и условий эксплуатации, кратко изложенных в дополнительной таблице 2 в дополнительном материале. Продолжительность каждой поездки составляла от 20 до 93 мин, средняя продолжительность — 56 мин. Общая продолжительность тестирования 18 такси составила около 370 часов (в среднем более 20 часов тестирования на одно транспортное средство) после фильтрации неполных записей.Высота поездок была оценена путем проецирования координат GPS на дорожную сеть и интерполяции значений высоты точек, которые известны с разрешением приблизительно 50 м для всех основных улиц Гонконга. Как правило, движение осуществляется на небольшой высоте, но со значительными уклонами дорог на короткие расстояния и относительно высокой температурой окружающей среды. Несмотря на то, что кампания по измерениям в целом растянулась на 7 лет, средние эксплуатационные характеристики транспортных средств разных категорий довольно схожи, что отражает постоянство условий, в которых работают эти такси.

Кумулятивное частотное распределение мгновенной скорости для всех поездок представлено на рисунке 5. Более 70% точек находятся ниже 50 км / ч при работе на холостом ходу, что соответствует скорости автомобиля <2,5 км / ч и абсолютному ускорению < 0,1 м / с ² (Lau et al., 2011) — наблюдается 20% времени. Это не обязательно отражает частоту простоя такси в Гонконге, потому что оборудованное такси не отставало от целевого, если последнее простаивало долгое время.Скорость более 80 км / ч соответствует 4% от общего количества очков, так как ограничение скорости на большинстве автомагистралей в Гонконге составляет 80 км / ч.

Рисунок 5 . Кумулятивное частотное распределение мгновенной скорости измеряемых такси.

Средние показатели выбросов и расхода топлива

В таблице 1 представлены среднее и стандартное отклонение уровней NO _x , CO, THC и FC, а также соотношения в соответствующих пределах для каждой технологической группы. Две статистические данные рассчитываются на основе среднего уровня выбросов каждого транспортного средства в каждой категории.Нормы расхода топлива были рассчитаны с использованием стандартизированного уравнения углеродного баланса (Правило 101 ЕЭК ООН, 2013 г.). Все автомобили до стандарта Euro 4 и четыре из пяти автомобилей стандарта Euro 4R демонстрируют уровни выбросов NO _x выше 1 г / км. Для сравнения, легковые автомобили с дизельным двигателем, соответствующие стандарту Евро 5, которые считались самыми высокими выбросами NO _x легковых автомобилей за все время (Ntziachristos et al., 2016), находятся ниже этого уровня. Несмотря на снижение абсолютного уровня с улучшением технологий, автомобили стандарта Euro 4 в среднем в 12 раз превышают соответствующий предел NO _x (минимальный-максимальный: в 3–25 раз выше).Только такси, работающие на сжиженном нефтяном газе Евро 5, находятся на уровне или даже ниже соответствующего предела, в диапазоне от 59% до 82% выше предела. Такси, работающие на сжиженном нефтяном газе, соответствующие стандарту Евро 5, как правило, моложе, чем такси Евро 4, то есть средний возраст тестирования такси Евро 5 и Евро 4 составляет 3,7 и 7,2 года соответственно.

Таблица 1 . Средние уровни выбросов и расхода топлива ± стандартное отклонение и соответствующее соотношение превышают лимит европейского стандарта.

Влияние замены контроля выбросов на уровни выбросов

Высокие значения стандартного отклонения / среднего значения в таблице 1 предполагают большой разброс уровней отдельных транспортных средств или, другими словами, довольно неоднородную выборку транспортных средств с точки зрения уровня выбросов в каждой технологической группе.Те автомобили, у которых уровни NO _x более чем в два раза выше, чем у остальных автомобилей в каждой группе, были охарактеризованы как «с высоким уровнем выбросов». Два автомобиля, выпущенных до стандарта Euro 4, были испытаны как до, так и после замены их системы контроля выбросов (катализатор и лямбда-зонд); один из них охарактеризован как излучатель с высоким уровнем излучения в соответствии с приведенным выше определением. В обоих случаях замена снизила все уровни загрязняющих веществ, с более сильным воздействием на CO и THC обычного транспортного средства (около 90%), чем у автомобиля с высоким уровнем выбросов (20–46%).Снижение NO _x было умеренным (15–24%) в обоих случаях. В случае транспортных средств стандарта Euro 4, один из протестированных автомобилей, измеренный через 10 месяцев после замены системы контроля выбросов, выделял NO _x примерно на 40% от уровня транспортного средства с наименьшим уровнем выбросов при первоначальном контроле выбросов. Однако оставшиеся четыре автомобиля стандарта Евро-4, измеренные от 15 месяцев до 2,5 лет после замены их системы контроля выбросов, испустили после замены примерно в три раза больше выбросов, чем наихудший источник выбросов с оригинальной системой контроля выбросов.Эти ограниченные данные свидетельствуют о том, что разовая замена катализатора и лямбда-зонда в такси не гарантирует автоматически, что снижение выбросов до нормального уровня может поддерживаться в течение длительного периода.

Испытания автомобилей, выпущенных до стандартов Euro 4 и Euro 4, с замененным контролем выбросов были проведены через 6–19 и 10–31 месяц, соответственно, после замены. Менее чем через год после замены были испытаны только два автомобиля. Обычное такси проезжает в среднем около 150 000 км в год, в то время как долговечность системы контроля выбросов составляет 80 000 км согласно требованиям Euro 3 и 100 000 км согласно требованиям Euro 4.Поэтому тестирование после замены проводилось после того, как замененные катализаторы были значительно устаревшими, в большинстве случаев превышающими срок их полезного использования. Это говорит о том, что любые экологические преимущества замены катализатора могли быть исчерпаны в течение менее чем года после замены, особенно потому, что плохо обслуживаемый двигатель может способствовать быстрой деградации TWC и лямбда-зонда. Собранные здесь данные показывают неопределенность в выводах об эффективности замены контроля выбросов.Сравнение уровней до и после замены показывает, что показатели выбросов зависят от общего состояния автомобиля и истории технического обслуживания, а не только от состояния системы контроля выбросов. Этого следует ожидать от автомобилей со средним пробегом, часто превышающим 1 миллион км. Это похоже на доказательства, собранные в другом месте (Díaz et al., 2001), и предполагает, что программы модернизации обслуживаемых автопарков автомобилей с искровым зажиганием должны быть тщательно рассмотрены в первую очередь на пилотных образцах и, в зависимости от результатов, рассмотреть возможность расширения их до уровня парка.

Коэффициенты выбросов для мезомасштабного моделирования

Влияние разрешения на уровни коэффициента выбросов

Поскольку статус замены элемента управления выбросами не определял фактический уровень выбросов, в оставшейся части документа автомобили различаются по нормальным / высоким уровням выбросов и производятся отдельные наборы коэффициентов выбросов, независимо от статуса замены элемента управления выбросами. С другой стороны, средняя скорость движения считается хорошей оценкой уровней выбросов в мезомасштабном моделировании выбросов, и она используется в качестве входной переменной трафика в нескольких моделях выбросов (COPERT, MOBILE, EMFAC и т. Д.).) (Franco et al., 2013; Grote et al., 2016). Средняя скорость также использовалась для оценки выбросов на основе дорожных соединений для городской сети (Lejri et al., 2016). В прошлом уровни выбросов сверх средней скорости устанавливались путем соотнесения средних показателей выбросов со средней скоростью ездовых циклов, проводимых на динамометрическом стенде (Ntziachristos and Samaras, 2000). В настоящее время записи PEMS предлагают различные варианты интеграции на основе расстояния и времени для развития таких отношений. Интеграция на основе времени дает статистическое преимущество за счет использования одного и того же размера выборки для усреднения измерений выбросов, независимо от средней скорости движения.При интегрировании на основе расстояния размер выборки уменьшается с увеличением скорости, но, с другой стороны, это может служить индикатором максимального пространственного разрешения, к которому применим конкретный EF. В нашем исследовании оба метода пытались использовать разные наборы интервалов интегрирования. Интегрирование на основе времени проводилось для интервалов времени 60 с и 480 с, а интегрирование на основе расстояния проводилось с шагом 100, 500 и 1000 м. На рисунке 6 показан размер выборки записей в альтернативных методах интегрирования в зависимости от скорости.Размер выборки в каждом случае выражается в секундах или в количестве записей с учетом одной записи в секунду. Интегрированный выходной сигнал по выбросам лучше представить с помощью большого размера выборки, то есть с высоким разрешением, в то время как низкое разрешение с высоким коэффициентом интеграции минимизирует колебания данных по выбросам в сторону разработки коэффициента выбросов.

Рисунок 6 . Размер выборки для различных методов интеграции как функция средней скорости движения в каждой выборке.

При расчете соответствующих уровней выбросов использовались последовательные и неперекрывающиеся интервалы времени или расстояния. В прошлом Смит и Нциахристос (2012) разработали аналогичные интервалы на основе принципа движущегося окна, который был полезен, когда были доступны ограниченные рабочие профили, такие как определенные ездовые циклы в лаборатории. Этот метод не рассматривался в данном случае, когда данные PEMS предлагали адекватную и репрезентативную изменчивость реальных реальных условий вождения.Использование неперекрывающихся интервалов устраняет любое потенциальное смещение из-за повышенной автокорреляции, которое может внести подход с подвижным окном.

На рисунке 7 в качестве показательного примера показано влияние альтернативных подходов к интеграции на зависимость от скорости выбросов NO _x и FC по стандарту Евро 4. Интеграция более 100 м сегментов приводит к заметно отличающимся уровням NO _x при умеренных скоростях, чем все другие интеграции. В этом диапазоне скоростей 100-метровое интегрирование соответствует размеру выборки <10 с, и это увеличивает соответствующий вклад выбросов NO _x событий.Напротив, интегрирование в течение 480 с позволяет получить очень мало образцов на высоких скоростях, несмотря на то, что общее время записи составляет более 20 часов на одно транспортное средство, и дает непостоянные характеристики выбросов на скорости более 60 км / ч. Различия между различными методами для ФК менее выражены, но все же присутствуют. Например, разрешение 100 м приводит к увеличению FC на 25% в классе ниже 10 км / ч, чем разрешение 500 м.

Рисунок 7 . NO _x (слева) и выбросы FC (справа) превышают среднюю скорость для альтернативных вариантов интеграции (пример Euro 4).

Трехсторонний тест ANOVA (уровень значимости, α = 5%) показал, что скорость, интеграционный подход и неоднородность уровня выбросов транспортных средств (внутри каждой технологической группы) являются статистически значимыми (sig. = 0,000) для объяснения уровней выбросов. Последующий анализ чувствительности показал, что скорость объясняет большую часть колебаний уровней выбросов, но неоднородность уровней выбросов транспортных средств в некоторых случаях может объяснить большую часть общей дисперсии, например, в случае транспортных средств стандарта Euro 50.

Интеграционный подход, по-видимому, дает в целом меньший вклад в дисперсию выбросов (дополнительная таблица 3).Тем не менее, решающим фактором при выборе интеграционного подхода является минимизация неопределенности при использовании средней скорости для оценки уровней выбросов. Дополнительная таблица 4, представленная в дополнительных материалах, суммирует средний коэффициент дисперсии (CV) для каждого метода интеграции и группы технологий транспортных средств для NO _x и FC. Это было вычислено путем объединения выбросов в интервалы скорости 10 км / ч, вычисления CV в каждом интервале скорости и последующего усреднения этих CV по интервалам скорости.Для интеграции как по времени, так и по расстоянию в дополнительной таблице наблюдается четкая тенденция увеличения отклонения от разрешения. Этого можно было ожидать, поскольку более точное разрешение позволяет достичь одной и той же средней скорости при многих различных стилях вождения. В целом, выбросы NO _x демонстрируют более высокую дисперсию, чем выбросы FC, независимо от группы транспортных средств и разрешения, поскольку разные транспортные средства в одной группе имеют одинаковые уровни FC, а FC для каждого транспортного средства по диапазонам скоростей гораздо менее чувствительны, чем NO _x .

Выбор подходящего метода интегрирования, таким образом, является компромиссом между неопределенностью при увеличении разрешения и доступностью данных испытаний при уменьшении разрешения, как следует из дополнительной таблицы 4 и рисунка 6, соответственно. В транспортной сети Гонконга используются дороги длиной не более 500 м. Это, вместе с тем фактом, что разрешение 500 м обеспечивает хороший компромисс в соотношении неопределенность / доступность данных, предполагает, что это может быть подходящим разрешением для развития зависимого от скорости коэффициента выбросов на уровне городской сети.

Влияние скорости транспортного средства на уровни выбросов

Уровни превышения средней скорости NO _x , CO, THC и FC для каждой из рассматриваемых категорий транспортных средств представлены на рисунке 8 для разрешения расстояния 500 м. Они соответствуют ровным дорогам, т. Е. Учитывают только те участки дорог, где абсолютный уклон был <0,5%. Выбросы и FC скорее показывают монотонное падение со скоростью для рассматриваемого диапазона скоростей. Неопределенность функций, основанных на скорости, оценивается с использованием 95% доверительного интервала среднего значения.В таблице 2 представлены верхний и нижний пределы этих интервалов как отношение полуширины интервала к соответствующему среднему значению выборки. В качестве примера, в случае транспортных средств, выпущенных до стандарта Euro 4H, реальное среднее значение NO _x EF (в скоростном контейнере) ожидается в диапазоне ± 5% от соответствующего среднего выборочного значения с достоверностью 95%. Интервальные оценки для каждой категории транспортных средств для FC уже по сравнению с соответствующими оценками для загрязнителей воздуха. Оценки NO _x EF характеризуются средней неопределенностью в пределах 5–17% в зависимости от группы транспортных средств.Оценки CO и THC демонстрируют более высокий уровень неопределенности и находятся в диапазоне 7–23 и 5–38% соответственно. В этом случае также может наблюдаться влияние неоднородности уровня выбросов транспортных средств на неопределенность окончательной оценки.

Рисунок 8 . Уровни выбросов выше скорости для ровных дорог для NO _x (вверху слева), FC (вверху справа), CO (внизу слева) и THC (внизу справа) для различных исследованных технологий (интеграция расстояния: 500 м).

Таблица 2 . Средние 95% -ные пределы доверительного интервала основанных на расстоянии факторов выбросов и FC для каждой категории транспортного средства (опция интегрирования 500 м), выраженные как процентное соотношение (%) полуширины интервала к соответствующему среднему значению выборки.

Проведено сравнение уровней выбросов на Рисунке 8 с литературными, с учетом того, что первые представляют собой интегрированные уровни выбросов на расстоянии 500 м от интегрирования, в то время как вторые не получены в результате какого-либо интегрирования.Сравнение текущих исследовательских уровней выбросов с выводами Lau et al. (2011) (с использованием PEMS) показывает повышенные уровни выбросов NO _x во всех скоростных классах, более низкие уровни CO на низких скоростях и аналогичные уровни на более высоких скоростях и более низкие уровни THC во всех скоростных классах. Сравнение текущих исследуемых уровней выбросов с уровнями, представленными Ning и Chan (2007) (с использованием дистанционного зондирования), показывает более высокие уровни выбросов NO _x и THC во всех скоростных классах, более высокие уровни CO в низкоскоростных классах и более низкие уровни CO. уровни в более высоких скоростных классах.Более подробное обсуждение сравнения с предыдущими исследованиями приведено в разделе Сравнение с предыдущими исследованиями.

Влияние уклона дороги на уровни выбросов

На рис. 9 показано влияние наклона уровней NO _x и FC для тематического исследования транспортных средств, предшествующих стандарту Euro 4N. Аналогичный анализ был проведен для всех остальных категорий транспортных средств. На графиках показано сравнение уровней выбросов в зависимости от скорости для довольно крутого подъема дороги (> 5%) для ровной дороги (абсолютный уклон <0.5%) и для достаточно крутого спуска (≤5%). Столбики ошибок показывают 95% доверительный интервал средних уровней. На неровных дорогах скорость не превышает 80 км / ч. Уровни выбросов обычно увеличиваются с увеличением уклона дороги. Выбросы NO _x на крутых подъемах в среднем в 2,9 и 13,3 раза выше, чем на ровных и спусках, соответственно, тогда как соответствующие коэффициенты FC составляют 1,6 и 2,7 соответственно. Планки погрешностей показывают меньшую неопределенность при движении по ровной поверхности и под уклон, чем при подъеме дороги для NO _x , в то время как неопределенность для FC в целом намного ниже.

Рисунок 9 . NO _x (слева) и FC (справа) уровни превышения скорости для высокого уклона дороги (уклон> 5%), для ровной дороги («уклон» <0,5%) и для высокого уклона дороги (уклон <−5%). ) для тематического исследования до перехода на Euro 4N (расстояние интеграции: 500 м). Столбики ошибок показывают 95% доверительный интервал средних уровней.

Влияние уклона дороги на уровни NO _x и FC для всех категорий транспортных средств суммировано на Рисунке 10.Уровни подъема и спуска представлены в виде отношения к движению по ровной дороге. Движение в гору приводит к монотонному увеличению выбросов за некоторыми исключениями, которые подтверждают высокую неопределенность NO _x , представленную на Рисунке 9. Для движения под гору наблюдается обратное. Результаты движения в гору до значительного увеличения NO _x для автомобилей до Евро 5, в то время как эффекты минимальны для автомобилей Евро 5. Это показывает, что система контроля выбросов более поздних транспортных средств намного более эффективна в более широком диапазоне условий движения, чем в более старых транспортных средствах.С другой стороны, влияние уклона дороги на FC гораздо более стабильно для различных категорий транспортных средств.

Рисунок 10 . NO _x (слева) и FC (справа) соотношения подъема (уклон> 0,5%) и спуска (уклон <−0,5%) по ровной дороге («уклон» <0,5%) в зависимости от абсолютного уклона дороги занятия по различным исследуемым технологиям (дистанционная интеграция: 500 м).

Нерегулируемые загрязнители

Измерения, проведенные на динамометрическом стенде шасси, позволили определить вид органических видов и нерегулируемых загрязнителей в одном такси стандарта Евро 5.Несмотря на то, что это единый автомобиль, профили выбросов для поздних технологий транспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе, отсутствуют в литературе, несмотря на то, что они очень важны для моделирования качества воздуха. На рисунке 11 представлен вид органических веществ для трех ездовых циклов. Они были оценены путем пересчета общей концентрации углеводородов FTIR на FID THC. Концентрации оксигенированных и нитрированных веществ не масштабировались, поскольку они не измеряются FID. Неизвестная масса, показанная в цикле смешивания, указывает на то, что общий массовый уровень HC, рассчитанный с помощью FTIR, был ниже, чем уровень FID THC, и неуказанные виды составляют общий уровень FID THC.В остальном все три исследованных цикла демонстрируют сходные пропорции УВ. C4 (бутан-бутадиен) и CH ₄ (метан) являются преобладающими видами углеводородов. Интересно, что содержание C3 (пропан-пропилен) невелико, несмотря на то, что содержание таких частиц в сжиженном нефтяном газе составляет 20–30%. Таким образом, частицы C3, по-видимому, предпочтительно окисляются, чем более тяжелые, во время сгорания или, позже, в катализаторе.

Рисунок 11 . Уровень выбросов для газоанализатора FTIR, зарегистрированный разновидностями углеводородов: метан, C2 (ацетилен, этилен, этан), C3 (пропилен, пропан), C4 (бутан, бутадиен), C8 (октан), формальдегид и метановая кислота, цианистый водород, изоциановая кислота. Кислота, неизвестные виды.

NH ₃ и N ₂ O образуются в TWC и напрямую связаны с рабочей лямбдой и температурой выхлопных газов. В таблице 3 представлены средние уровни NH ₃ и N ₂ O для каждого ездового цикла, которые обычно считаются высокими по сравнению с уровнями выбросов в предыдущих исследованиях автомобилей с искровым зажиганием (Bielaczyc et al., 2013; Suarez-Bertoa et al. ., 2014, 2015). Ожидается, что оба вида образуются в более богатых условиях и деградированном катализаторе, который не может полностью восстановить NO _x до азота.Действительно, в испытуемом транспортном средстве при ускорении наблюдаются события богатого сгорания, и эти события совпадают с резкими скачками уровней аммиака и закиси азота. В системах TWC N ₂ O преимущественно образуется при низких температурах из-за неполного восстановления NO _x различными восстановителями (Gong and Rutland, 2013; Karavalakis et al., 2016), что также подтверждено в текущем исследовании на соответствующие низкие скорости автомобиля. Результаты являются показательными, но предполагают, что следует уделять больше внимания этим веществам в выхлопных газах старых автомобилей с искровым зажиганием.

Таблица 3 . Испытания на динамометрическом стенде шасси — это средние уровни выбросов (минимальные-максимальные указывают диапазон уровней выбросов среди повторений испытаний) нерегулируемых загрязняющих веществ в такси Euro 5, работающем на сжиженном нефтяном газе.

Сравнение с предыдущими исследованиями

Сравнение уровней выбросов с предыдущими исследованиями, посвященными выбросам сжиженного нефтяного газа в такси (Ning and Chan, 2007; Lau et al., 2011), выявляет некоторые интересные тенденции, представленные в таблице 4. Значения выражают средние уровни выбросов вместе с диапазоном самый высокий и самый низкий уровень выбросов в каждой категории транспортных средств.Распределение транспортных средств в исследовании Lau et al. (2011) был изменен, чтобы отразить последнее распределение евро-стандартов, используемое Департаментом охраны окружающей среды Гонконга. Таким образом, автомобиль №2 этого исследования на самом деле соответствует стандарту Евро-3, а автомобиль №3 — Евро-4.

Таблица 4 . Сравнение уровней выбросов с предыдущими исследованиями.

Средние уровни выбросов NO для автомобилей, выпущенных до стандартов Euro 4 и Euro 4, в 1,9 и 3,4 раза, соответственно, выше, чем измеренные Lau et al.(2011). Коэффициенты выбросов, рассчитанные Ning and Chan (2007) с использованием данных дистанционного зондирования, ниже, чем в текущем исследовании, причем NO показывает наибольшую разницу (~ 45 раз ниже). Относительная разница между нашим исследованием и предыдущими обычно уменьшается со скоростью для всех изученных регулируемых загрязнителей.

Текущие результаты и уровни выбросов отражают всесторонние условия вождения по сравнению с предыдущими исследованиями из-за большого размера выборки измеренных такси и охвата целого ряда условий вождения.Сравнение уровней с работой Lau et al. (2011) наиболее вероятно указывает на влияние увеличения среднего возраста на 4 года на уровни выбросов в период между двумя исследованиями с использованием PEMS. Для гонконгских такси, проезжающих около 150 000 км в год, это соответствует более полумиллиону километров. Сравнение с работой Нинга и Чана (2007) более сложно, поскольку записи дистанционного зондирования требуют мгновенных предположений о топливной экономичности для получения абсолютных уровней выбросов и не принимают во внимание динамику движения (Franco et al., 2013). В этом случае часть существенной разницы в выбросах с текущими уровнями может быть из-за смещения, вносимого значениями топливной эффективности, которые были только предположениями при преобразовании данных о выбросах с помощью метода дистанционного зондирования, особенно в связи с тем, что некоторые из протестированных транспортных средств было показано, что они не работают на стехиометрическом сгорании.

Резюме и выводы

В этом исследовании представлен анализ данных PEMS, собранных на 18 такси, работающих на сжиженном нефтяном газе, за период от 6 месяцев до 2 месяцев.5 лет после замены катализатора и лямбда-зонда. Изученные загрязнители включают NO _x , CO и THC, а расход топлива оценивается по выбросам загрязняющих веществ. В исследовании предпринята попытка оценить влияние замены катализатора и лямбда-зонда на уровни выбросов до Евро 4 (Евро 2 и Евро 3) и Евро 4. Из-за большого пробега такси, который может превышать нормативные требования по долговечности катализатора менее чем за календарный год, влияние замены на выбросы в целом было умеренным и переменным.Таким образом, средние уровни выбросов для такси сжиженного нефтяного газа от Евро 2 до Евро 4 превышают лимиты выбросов, независимо от статуса замены катализатора.

Образцы такси Euro 5 также были измерены с помощью PEMS. В этом случае измеренные уровни выбросов были в основном ниже соответствующих регулируемых лимитов. Тем не менее, высокие уровни выбросов NH ₃ и N ₂ O были зарегистрированы при измерении одного транспортного средства стандарта Euro 5 на динамометрическом стенде с использованием FTIR с высокими пиками, наблюдаемыми в периоды обогащения топлива.

При изучении методов интеграции для разработки коэффициентов выбросов участок дороги длиной 500 м оказался хорошим компромиссом между достаточным размером выборки и разрешением моделирования. Используя это разрешение, исследование продемонстрировало, что как скорость, так и класс уклона дороги оказывают значительное влияние на выбросы. Эта зависимость значительно ниже для автомобилей стандарта Евро 5 по сравнению с более ранними.

Применяемые методы и выводы этого исследования добавляют ценности научному сообществу, исследуя реальные выбросы с помощью ПЭМС такси сжиженного нефтяного газа в городской сети и следуя мезомасштабному моделированию для разработки коэффициентов выбросов.Приведенные уровни выбросов загрязняющих веществ также полезны для политиков во всем мире в признании статуса реальных выбросов от транспортных средств конкретной категории, для синтеза головоломки загрязнения воздуха с целью реализации будущих целевых показателей качества воздуха и законодательных норм RDE.

Авторские взносы

Литературное исследование было выполнено GP, CK и под руководством LN. Экспериментальная часть выполнялась T-SL, K-LN, H-LW и контролировалась CW.Используемые методы расчета были предложены LN. Статистический анализ был выполнен в основном GP и CK, в то время как LN, T-SL и CW также внесли свой вклад в виде внутреннего обзора и консультирования. Дискуссионная часть статьи выполнена всеми соавторами. Подготовку рукописи выполнил врач-терапевт.

Заявление о конфликте интересов

GP и CK были наняты компанией EMISIA S.A. Ответственность за содержание этого документа несут исключительно авторы и не обязательно отражают официальную точку зрения правительства САР Гонконг.

Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmech.2018.00019/full#supplementary-material

Список литературы

Антеш, М., Бриндл, Р., Киуру, К., Ллойд, М., Мундервиль, М., и Пак, Л. (2009). Пропан снижает выбросы парниковых газов: сравнительный анализ . Energetics Incorporated, Совет США по образованию и исследованиям в области пропана (PERC).

Bielaczyc, P., Szczotka, A., and Woodburn, J. (2013). Обзор выбросов при холодном запуске от двигателей с прямым впрыском и воспламенением от сжатия легких транспортных средств при низких температурах окружающей среды. Сжигание. Двигатели 154, 48–53. Доступно в Интернете по адресу: http: //www.combustion-engines.eu / en / numbers / 11/475 (по состоянию на 10 мая 2017 г.).

Google Scholar

COWI (2015). Современное состояние транспортных систем на альтернативных видах топлива в Европейском Союзе . Европейская комиссия DG MOVE — Группа экспертов по транспортным топливам будущего.

Диас, Л., Шифтер, И., Родригес, Р., Авалос, С., Лопес, Г., и Лопес-Салинас, Э. (2001). Долгосрочная эффективность каталитических нейтрализаторов, работающих в Мехико. J Управление отходами воздуха. Доц. 51, 725–732.DOI: 10.1080 / 10473289.2001.10464308

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Франко В., Кусулиду М., Мунтян М., Нциахристос Л., Хаусбергер С. и Дилара П. (2013). Разработка коэффициентов выбросов автотранспортных средств: обзор. Атмос. Environ. 70, 84–97. DOI: 10.1016 / j.atmosenv.2013.01.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гонг Дж. И Ратленд К. (2013). Трехкомпонентное моделирование катализатора с кинетикой аммиака и оксида азота для бензинового двигателя с прямым впрыском (SIDI) с искровым зажиганием обедненной смеси .Детройт, Мичиган: Технический документ SAE.

Google Scholar

Гроте, М., Уильямс, И., Престон, Дж., И Кемп, С. (2016). Включая эффекты заторов в городском дорожном движении Моделирование выбросов CO ₂ : есть ли у местных органов власти правильные варианты? Транспорт. Res. Часть D Транспортная среда. 43, 95–106. DOI: 10.1016 / j.trd.2015.12.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Heidt, C., Lambrecht, U., Hardinghaus, M., Knitschky, G., Schmidt, P., Weindorf, W., et al. (2013). На пути к устойчивому энергоснабжению на автомобильном транспорте — потенциал КПГ и СНГ в качестве топлива для транспортных средств . Отчет DLR-IFEU-LBST-DBFZ AZ Z14 / SeV / 288.3 / 1179 / UI40.

Хайнце Т., Земборски О. (2016). Abgastests unter realen Fahrbedingungen: Autogas-Pkw im Vergleich mit Benzin- und Diesel-Fahrzeugen — PEMS-Untersuchungen, LPG- und Konventionell betriebenen Pkw, Real-Driving-Emissions-Betrieb und im WLTC-Zyklus .Саарбрюккен: автомобильная трансмиссия HTW, im Auftrag des Deutschen Verbandes Flüssiggas e. V.

Хасс, А., Маас, Х., Хасс, Х. (2013). Отчет по автомобильным топливам и силовым агрегатам, версия 4.0 — Анализ JEC от скважин до колес: анализ перспективных автомобильных топлив и силовых агрегатов в европейском контексте . Испра.

Jeuland, N., и Montagne, X. (2004). EETP: Заключительный отчет «Европейской программы испытаний на выбросы» . Французский институт нефти.

Каравалакис, Г., Jiang, Y., Yang, J., Hajbabaei, M., Johnson, K., and Durbin, T. (2016). Выбросы газов и твердых частиц от мусоровоза, оборудованного стехиометрическим двигателем, работающим на природном газе, на различных составах топлива . Детройт, Мичиган: Технический документ SAE.

Google Scholar

Лау, Дж., Хунг, В. Т. и Чунг, К. С. (2011). Бортовые газовые выбросы такси, работающих на сжиженном нефтяном газе, и оценка выбросов от таксопарка. Sci. Total Environ. 409, 5292–5300. DOI: 10.1016 / j.scitotenv.2011.08.054

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лейри Д., Джан А. и Леклерк Л. (2016). «Объединение моделей движения и выбросов: динамическая скорость движения для оценки выбросов», 21-я Международная конференция по транспорту и загрязнению воздуха, 2016 (Лион).

Лим Ю., Ким Х. (2013). Оценочное исследование уровня распространения опасных загрязнителей от легковых автомобилей, использующих бензин и сжиженный нефтяной газ . Бангкок: Технический документ SAE 2013-01-0068.

Google Scholar

Нинг, З., и Чан, Т. Л. (2007). Дистанционное зондирование транспортных средств на сжиженном нефтяном газе (СНГ), измерение выбросов и оценка коэффициентов выбросов. Атмос. Environ. 41, 9099–9110. DOI: 10.1016 / j.atmosenv.2007.08.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ntziachristos, L., Papadimitriou, G., Ligterink, N., and Hausberger, S. (2016). Влияние отказов от контроля выбросов дизельных двигателей на коэффициенты выбросов и автомобильный транспорт NO _x evolution. Атмос. Environ. 141, 542–551. DOI: 10.1016 / j.atmosenv.2016.07.036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ntziachristos, L., and Samaras, Z. (2000). Зависимые от скорости репрезентативные коэффициенты выбросов для легковых автомобилей с катализатором и влияющие параметры. Атмос. Environ. 34, 4611–4619. DOI: 10.1016 / S1352-2310 (00) 00180-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смит, Р., Нциахристос, Л. (2012). «COPERT Australia: Разработка улучшенных алгоритмов выбросов транспортных средств на средней скорости для австралийского флота», , 19-я Международная конференция по транспорту и загрязнению воздуха, (Салоники).

Google Scholar

Суарес-Бертоа Р., Зардини А. А. и Асторга К. (2014). Выбросы аммиака в выхлопные газы автомобилей с искровым зажиганием в рамках нового европейского ездового цикла. Атмос. Environ. 97, 43–53. DOI: 10.1016 / j.atmosenv.2014.07.050

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Суарес-Бертоа Р., Зардини А.А., Лилова В., Мейер Д., Накатани С., Хибель Ф. и др. (2015). Взаимное сравнение измерений содержания аммиака в выхлопных трубах автомобилей в реальном времени в рамках нового согласованного в мире цикла испытаний легковых автомобилей (WLTC). Environ. Sci. Загрязнение. Res. Int. 22, 7450–7460. DOI: 10.1007 / s11356-015-4267-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Правило 101 ЕЭК ООН (2013). E / ECE / 324 / Rev.2 / Add.100 / Rev.3. Соглашение об утверждении единых технических предписаний для колесных транспортных средств, оборудования и частей, которые могут быть установлены и / или использованы на колесных транспортных средствах, и условий взаимного признания разрешений, выданных на основе этих предписаний , 48–49.

Центр прогнозирования изменения климата и окружающей среды Министерства транспорта США (DOT) (2010 г.). Роль транспорта в сокращении выбросов парниковых газов в США, Отчет для Конгресса . Вашингтон, округ Колумбия: Кембриджская систематика.

Вонк, В. А., Вербик, Р. П., и Деккер, Х. Дж. (2010). Emissieprestaties van Jonge Nederlandse Personenwagens Met LPG en CNG Installaties . Делфт, TNO Report MON-RPT-2010-01330a.

WLPGA (2016). Политика стимулирования автомобильного газа: анализ по странам того, почему и как правительства поощряют использование автомобильного газа и что работает — 2016 .

Система рециркуляции ОГ с охлаждением — ключевая технология для будущих эффективных дизельных двигателей высокой четкости

В документе сообщается о достижениях, достигнутых в рамках продолжающейся программы развития, которая является частью европейского совместного исследовательского проекта EUREKA под названием EFFLED ( EFF icient L ow E mission D iesel), выполняемого в AVL в сотрудничестве с компании DAF Trucks, Serck Heat Transfer, Robert Bosch и муниципалитет города Роттердам.Основная цель этого проекта — разработка и усовершенствование системы e xhaust g , поддерживаемой трубкой Вентури, в качестве системы рециркуляции (EGR) для сверхмощного (HD) дизельного двигателя с турбонаддувом и промежуточным охлаждением, обеспечивающего высокую скорость рециркуляции EGR с контролируемым охлаждением. достаточно, чтобы достичь в будущем низких стандартов выбросов NO _x при приемлемом уровне расхода топлива. Помимо системы рециркуляции выхлопных газов, были исследованы и другие технологии, которые могут потребоваться для соответствия будущим стандартам выбросов выхлопных газов.В результате этих исследований было обнаружено, что для стандартов EURO 3 (NO _x / PM = 5 / 0,1 г / кВтч в новом европейском устойчивом цикле — ESC) только охлаждение EGR приводит к требуемому снижению NO _x . без ухудшения расхода топлива с уровня ЕВРО 2. Однако для соответствия указанным стандартам EURO 4 (NO _x / PM = 3 / 0,1 г / кВт · ч в новом европейском переходном цикле — ETC) использование уловителя твердых частиц, скорее всего, потребуется с сегодняшним качеством дизельного топлива, несмотря на только небольшое увеличение сажи из-за EGR.Поэтому были протестированы две разные системы сажевых фильтров в качестве потенциальных кандидатов, и были сравнены их плюсы и минусы.

ПОВЫШАЮЩИЕ УСЛОВИЯ ТРЕБОВАНИЯ к выбросам выхлопных газов, которые, как ожидается, вступят в силу на рубеже веков, а затем во всем мире в промышленно развитых странах, потребуют сокращения выбросов NO _x и выбросов твердых частиц на 60% по сравнению с сегодняшним днем ​​(1998 г.) уровней, см. Рис. 1 . Чтобы соответствовать этим будущим стандартам выбросов, применение новых технологий, включая системы нейтрализации выхлопных газов, будет незаменимым, особенно с точки зрения поддержания или даже повышения теплового КПД дизельных двигателей высокой четкости.

В настоящее время обсуждаются два разных пути соответствия будущим европейским стандартам, Рис. 2 . Применение систем СКВ с использованием раствора мочевина-вода в качестве восстановителя NO _x (SCR = избирательное каталитическое восстановление) оценивается как наиболее эффективная технология восстановления NO _x в долгосрочной перспективе / 1,2,3,4 / , с преимуществом, позволяющим оптимизировать сгорание для достижения максимальной топливной эффективности и минимального содержания твердых частиц.

Однако логистика раствора мочевины в воде является обязательным условием, и на транспортных средствах необходимо предусмотреть место для системы дозирования, бака мочевины, катализатора SCR и модифицированного глушителя выхлопных газов.Кроме того, необходимо решить проблемы долговечности и бортовой диагностики (OBD) системы.

В качестве альтернативы рис. 2 также предполагает, что система рециркуляции выхлопных газов с охлаждением (EGR) предлагает такой же потенциал восстановления NO _x , как и подход SCR. Для соответствия стандартам EURO 3 потребуются только умеренные показатели EGR с расходом топлива, равным уровню EURO 2 и с незначительным воздействием на твердые частицы / 5,6,7 /, тогда как для EURO 4 при текущем состоянии разработки использование уловителя сажи для уменьшения количества твердых частиц, по-видимому, необходимо из-за более высоких требований к скорости рециркуляции отработавших газов.В любом случае необходимо изучить и решить множество потенциальных проблем, прежде чем EGR сможет применяться в среде тяжелых дизельных двигателей. Более конкретно, основные проблемы связаны с долговечностью компонентов системы рециркуляции отработавших газов, требованиями к управлению рециркуляцией отработавших газов в переходных режимах, загрязнением двигателя (охладитель системы рециркуляции отработавших газов, впускные каналы) и повышенным износом из-за повышенного содержания сажи в масле и / или ускоренного разложения масла.

В целом удельный расход топлива при торможении (BSFC) имеет первостепенное значение для пользователя грузовика, и в будущем ожидается его постоянное улучшение.Благоприятными мерами, которые уже используются сегодня на различных двигателях, являются применение многоклапанных (3V и 4V) головок цилиндров вместо двухклапанных головок, использование систем впрыска топлива с повышенным давлением топлива в сочетании с уменьшенными уровнями завихрения, улучшенный контроль смазочного масла и использование электронного управления двигателем, особенно для определения времени впрыска. Таким образом, расход топлива для данного уровня NO _x может быть улучшен до 5%. Однако степень улучшения зависит также от типа цикла испытаний.

Изменение европейского цикла сертификационных испытаний / 8 / с текущего 13-режимного ECE R49 на новый 13-режимный ACEA / OICA (или новый европейский цикл установившихся режимов — ESC) для EURO 3 и, наконец, переходный тест FIGE (или европейский переходный цикл — ETC) для EURO 4, как показано на рис. , рис. 3 , усложняет оценку расхода топлива в ходе испытательного цикла и результатов выбросов из-за различных рабочих режимов нагрузки / скорости и весовых коэффициентов, а также из-за переходным эффектам.

Влияние различных испытательных циклов на выбросы и расход топлива данного двигателя EURO 2 показано на Рис. 4 . Поскольку выбросы NO _x почти на одном уровне (примерно 6,5 г / кВтч) для всех трех циклов испытаний, потребление твердых частиц и циклического топлива в ESC снижается из-за более высокого коэффициента нагрузки, и работа смещается в диапазон средних скоростей в в этом цикле, в то время как в ETC увеличивается как расход топлива, так и твердые частицы, в основном в результате переходного режима работы.

С учетом этого фона и направлений развития, обсуждавшихся ранее, AVL List GmbH в сотрудничестве инициировал совместный исследовательский проект под названием EFFLED ( EFF icient L ow E mission D iesel, EUREKA No. 1593). с компаниями DAF Trucks NV, Serck Heat Transfer, Robert Bosch GmbH и муниципалитетом города Роттердам. Основная цель этого проекта — разработка и усовершенствование системы рециркуляции выхлопных газов, поддерживаемой трубкой Вентури, для дизельного двигателя высокого давления с турбонаддувом и воздушно-воздушным промежуточным охлаждением, обеспечивающего регулируемое охлаждение системы рециркуляции выхлопных газов с системой рециркуляции выхлопных газов, достаточно высокой для достижения уровней выбросов NO _x , требуемых после 2000 года. при конкурентоспособном уровне расхода топлива.Поскольку при нынешнем качестве дизельного топлива количество твердых частиц неизбежно увеличивается с требуемой высокой скоростью рециркуляции отработавших газов, в рамках проекта EFFLED также рассматривается использование улавливателей твердых частиц окислителей.

Author: alexxlab