Krypkörning

En studie har genomförts med målsättningen att ta fram bränsleförbrukning vid svårt störda körförlopp som t.ex. trafikstockningar och kökörning med täta start och stopp, se Karlsson (1994). Mätningar utfördes 1994 på bl.a. Sveavägen i Stockholm med en VOLVO 244, B21, 1982 års modell.

I figur 3.1 redovisas erhållna resultat.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0 5 10 15 20 25 30 Hastighet (km/h) Br än sle ( l/m il)

Figur 3.1 Bränsleförbrukning och medelhastighet. VOLVO 244 på Sveavägen i

Stockholm. (Karlsson, 1994.)

Mätning av körförlopp och bränsleförbrukning har utförts på Essingeleden. I figur 3.2 redovisas resultat, bränsleförbrukning, av dessa mätningar.

Uppmätt bränsle som funktion av reshastighet,R1

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 km/h 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

l/10 km Delsträcka 1 Delsträcka 2 Delsträcka 3

Figur 3.2 Bränsleförbrukning och medelhastighet. VOLVO 944 på Essingeleden.4 Körförlopp har registrerats på Essingeleden för två trafiksituationer: “Congested”, 4,9 km/h och “Free flow”, 68,4 km/h, se Henke (1999). Avgasutsläpp för dessa körcykler har jämförts med utsläpp för ECE 98/69. Denna innehåller två delar:

”Urban driving cycle” (UDC) och ”Extra urban driving cycle” (EUDC). Avgasmätningar – CO, HC, NOx och Bf – har utförts med sex bensindrivna bilar,

fyra med kat och två äldre utan. Genomsnittliga emissionsfaktorer som funktion av hastighet redovisas i bilaga 1 för bilar utan och med katalysator.

Baserat på dessa genomsnittliga emissionsfaktorer har VTI beräknat indexserier.

I figur 3.3–3.4 redovisas utsläppsindex för mätdata i (Henke, 1999).

Bensin, ej katalysator 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 5 10 15 20 25 30 Hastighet (km/h) Index (/sträcka) CO HC NOx CO2 BF

Figur 3.3 Avgasutsläpp, index, som funktion av hastighet. (Henke, 1999.)

Bensin, med katalysator

0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 Hastighet (km/h) Index (/sträcka) CO HC NOx CO2 NMHC BF

Bensin, med katalysator 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 5 10 15 20 25 30 Hastighet (km/h) Index (/sträcka) NOx CO2

Figur 3.5 Avgasutsläpp, index, och medelhastighet. (Henke, 1999.)

Ett av de största underlagen för beskrivning av krypkörning bör vara vad som ingår i den s.k. COPERT-modellen (Ntziachristos et al., 2000). De uppmätta avgasutsläppen har i COPERT anpassats till funktioner. I figur 3.6, 3.7, 3.8 och 3.9 redovisas utsläppsindex för bensindrivna bilar, utan och med katalysator, samt för både dieseldrivna oreglerade och reglerade bilar vid olika medelhastigheter.

Bensin, kategori A 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0 5 10 15 20 25 30 35 Hastighet (km/h) Index (/sträcka) CO HC NOx Bf

Bensin, kategori B 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 5 10 15 20 25 30 35 Hastighet (km/h) Index (/sträcka) CO HC NOx Bf

Figur 3.7 Avgasutsläpp, index, som funktion av hastighet enligt COPERT III.

Diesel, oreglerade 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 35 Hastighet (km/h) Index (/sträcka) CO NOx VOC PM Bf

Figur 3.8 Avgasutsläpp, index, som funktion av hastighet enligt COPERT III .

Diesel, 91/441/EEC 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 5 10 15 20 25 30 35 Hastighet (km/h) Index (/sträcka) CO NOx VOC PM Bf

Figur 3.9 Avgasutsläpp, index, som funktion av hastighet enligt COPERT III. En jämförande sammanställning av hastighetsberoendet enligt Henke (1999), enligt COPERT och enligt föreliggande studie redovisas i tabell 8.18.

4 Problembeskrivning

4.1 Motorhantering under stopptid

Betydelsen av motorhantering under stopptid för avgasutsläpp uttrycks av skillnaden i totala avgasutsläpp mellan tomgång och avstängning. De totala utsläppen omfattar utsläpp under stopptid och under det efterföljande körförloppet.

Utsläpp under själva stopptiden för viss bil kan förväntas bero av ett stort antal faktorer och där några utgörs av följande:

• stopptidens längd

• andel tomgångstid av stopptid

• om både tomgång och avstängning, hur dessa fördelas i stopptidsintervallet. En eventuell inverkan av de uppräknade punkterna på utsläpp under den efterföljande körcykeln kan också förväntas ske i samvariation med själva körcykeln inklusive längden av denna. Det efterföljande körförloppet skall vara tillräckligt långt för att stopptidens hela inverkan skall kunna beskrivas. Å andra sidan söks totala effekter för typiska reslängder. Dessa kan vara kortare än den sträcka som krävs för att beskriva stopptidens hela inverkan. Till problembilden hör också att stopptidseffekternas relativa andel av de totala utsläppen kan förväntas minska med den efterföljande körcykelns längd. Att den sökta andelen kan förväntas minska med ökande körcykellängd kan också förväntas försvåra möjligheten att påvisa en effekt.

Ökande stopptid kan förväntas medföra: • med ett tomgångsalternativ:

- att tomgångsutsläppen ökar

- att utsläppen under efterföljande körcykel påverkas mindre av stopptiden än för avstängning

• med ett avstängningsalternativ:

- att själva återstarten ger extra utsläpp

- att utsläppen under den efterföljande körcykeln i allmänhet ökar jämfört med fullt uppvärmd motor.

Man kan urskilja tre huvudalternativ för motorhantering under stopptid: • enbart tomgång

• enbart avstängning

• en kombination av tomgång och avstängning.

Avstängningsalternativen förutsätts i det följande, utöver körcykelutsläppen, inkludera återstart och därav följande utsläpp.

Att avstängningstid påverkar utsläpp efter återstart är allmänt känt, se exempelvis Hammarström (2001a). Betydelsen av tomgångskörning för utsläpp under efterföljande körcykel är inte lika väldokumenterad. Att katalysator- temperaturen kan sjunka under tomgångskörning framgår ur Hammarström och Edwards (2000). Hur stor betydelse detta har för efterföljande utsläpp med tomgångstider på några minuter är för VTI okänt.

modifierade standardiserade provmetoder inklusive körförlopp, vilket ifråga om lufttemperatur innebär mätningar vid ca 20ºC. Denna temperatur är minst 10ºC högre än svensk medeltemperatur.

För slutsatser om bästa motorhantering under stopptid kan följande beskrivning vara ändamålsenlig:

e/t*t+etg(t)…..(I), utsläpp med tomgångsalternativ

e/t*ttgav+est(t,ttgav)+eav(t,ttgav)….(II), utsläpp med avstängningsalternativ

e/t: utsläpp per tidsenhet under tomgång

etg(t): total mängd utsläpp efter tomgångstid t under efterföljande körcykel est(t,ttgav): totala startutsläpp efter avstängning fram till nästa delkörcykel

eav(t,ttgav): total mängd utsläpp under körcykel efter att motorn varit avstängd under stopptid

t: stopptid ttg: tomgångstid

tav: tid med avstängning och fram till körcykel

ttgav: inledande tomgångstid under stopptid med både tomgång och avstängning.

För bedömning av om avstängning eller tomgång skall väljas för visst värde på t kan differensen I-II användas. Om I-II>0 väljs avstängning, annars tomgång.

En inledande tomgångstid (ttgav) ingår i II för beskrivning av det nuvarande förbudet mot tomgångskörning längre än 1 minut i många svenska kommuner. För en fullständig beskrivning av bästa motorhantering under stopptid krävs komplettering med olika alternativ i vilka tomgång och avstängning kombineras på olika sätt. Det nuvarande förbudet motsvarar en sådan kombination.

Differensen I-II kan uttryckas med e/t*(t-ttgav)+ etg(t) – est(t,ttgav)-eav(t,ttgav).

Vad som söks är först alla t, med ttgav=0, som medför att I-II växlar tecken. Med plustecken ger avstängning minst utsläpp och med minustecken ger tomgång minst. För t-intervall med I-II>0 ger avstängning minst utsläpp. Nästa fråga är om utsläppen i dessa intervall skulle kunna reduceras ytterligare genom att välja tomgång under viss del av stopptiden dvs. ttgav>0.

Vad som söks är alla skärningspunkter mellan funktionen I-II och ”x-axeln” med tillhörande derivator. Välj att betrakta funktionen I-II(t,0) med två skärningspunkter t1 och t2 för konstant ttgav=0:

• Om t <t1 välj tomgång. Därmed följer att ttg=t.

• Om t1≤t<t2 skall alltid stopptiden inrymma en avstängningstid. Nästa fråga, efter beslut om avstängning, är hur tav skall väljas inom intervallet t1 till t2 för att minimera II.

Uttrycket II kan, om t konstanthålles, beskrivas enligt följande:

• minskande tav inom t1 till t2 medför alltid att e/t*ttgav ökar (ttgav=t-tav)

• minskande tav medför ett av följande tre alternativ: att est(t,ttgav)+eav(t,ttgav) ökar (a), är oförändrat (b) eller minskar (c).

Alternativen (a) och (b) ger att II ökar med minskande tav dvs. II har minimum för tav= t.

Om termerna e/t*ttgav och est(t,ttgav)+eav(t,ttgav) är approximativt linjära av t så

följer att alternativ (c) antingen har minimum i t1 eller i t. Därmed väljs tav, då t≥t1,

och därav ttgav enligt följande:

• om min i t1: tav= t1 och ttgav=t-t1 • om min i t: tav= t

Om ett t2 kunnat påvisas finns alltid minst en ytterligare skärning, ett t3, mellan I-II och ”x-axeln” eftersom I-II>0 bara t tillräckligt stort. I-II<0 motsvarar att tomgång ger mindre utsläpp än avstängning. Inom intervall i vilka detta är uppfyllt skulle en kombination med avstängning kunna ge ytterligare mindre utsläpp. En slutsats av detta skulle kunna vara att man för varje stopptid söker en optimal fördelning på avstängning och tomgång inklusive vilken ordning dessa skall ges.

I figur 4.1 och 4.2 ges principiella beskrivningar för I-II som funktion av stopptid med en och med flera skärningar med ”x-axeln”.

Figur 4.1 Principiell beskrivning av funktionen I-II (tomgång-avstängning) med

en skärning med tidsaxeln. 0

tomg.(I)- avst.(II)

stopptid t1

Figur 4.2 Principiell beskrivning av funktionen I-II (tomgång-avstängning) med

flera skärningar med tidsaxeln.

Både figur 4.1 och 4.2 har I-II<0 då stopptiden=0. Bakgrunden till denna generaliserade beskrivning är att några mätdata med I-II>0 då stopptiden=0 inte är kända av VTI.

Ett tomgångsförbud med gränsen 1 minut bör motsvaras av att I-II>1 då t>1 minut.

Om både ttgav och t skall varieras och kombinationer bildas blir antalet mätningar stort. Av resursmässiga skäl kan mätningar avgränsas till en beskrivning av eventuell variation av (I-II)(t,0). Därmed utförs mätningar med en systematisk variation av enbart t.

Om etg(t) – eav(t,ttgav) ≈0, vilket kan vara en rimlig approximation för korta stopptider, så följer:

e/t*tav –est(t,ttgav) =0 dvs. t1= est(t,ttgav) / e/t

Denna förenklade beskrivning motsvarar ett antal återgivna referenser, se avsnitt 3.1. Man kan förvänta systematiska skillnader mellan tidsgränser bestämda med denna förenklade ansats och gränser bestämda med den fullständiga ansatsen för I-II. Man kan enligt (Hammarström, 2001a) förvänta följande systematiska fel i t1 med den förenklade ansatsen:

• kat. A: - CO, överskattning - HC, inget fel - NOx, underskattning - Bf/CO2, underskattning - PM, överskattning • kat. B: - CO, underskattning - HC, underskattning - NOx, underskattning - Bf/CO2, underskattning - PM, överskattning. 0 tomg.(I)- avst.(II) t1 t2 t3 stopptid

Om en blandning av tomgång och avstängning väljs under en stopptid är inte frågeställningen avgränsad till fördelning mellan tomgång och avstängning utan kan också omfatta antal intervall och ordningen mellan dessa.

I tabell 4.1 och 4.2 ges exempel på bestämning av optimal tomgångstid (ttg) för olika t och t1 samt under förutsättning av att II som funktion av ttgav och för konstant t är monotont växande respektive monotont avtagande i ttgav. Om t>t1 är II<I. Frågan är sedan om II för t>t1 kan göras mindre genom att kombinera

avstängning med tomgång under tiden ttgav jämfört med enbart avstängning för hela t.

Tabell 4.1 Optimalt val av tomgångstid (ttg resp. ttgav) för olika stopptider (t) och kortaste lönsam avstängningstid t1 om II monotont växande i ttgav.

Stopptid (t) t1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 2 0 0 0 0 0 0 0 3 1 2 3 0 0 0 0 0 0 4 1 2 3 4 0 0 0 0 0 5 1 2 3 4 5 0 0 0 0 6 1 2 3 4 5 6 0 0 0 7 1 2 3 4 5 6 7 0 0 8 1 2 3 4 5 6 7 8 0

*Välj kortast möjliga avstängningstid≥ t1 dvs. tav=t1.

Tabell 4.2 Optimalt val av tomgångstid (ttg resp. ttg) för olika stopptider (t) och kortaste lönsam avstängningstid t1 om II monotont avtagande i tavtg.

t1 Stopptid (t) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 2 1 2 1 2 3 4 5 6 7 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1

* Välj längsta möjliga avstängningstid dvs. tav=t.

Om gränser av typ t1 och t2 skall uppskattas baserat på mätningar så är ett tänkbart

utfall att någon skillnad mellan tomgångs- och avstängningsalternativet inte kan påvisas inom utvärderat stopptidsintervall. Det skulle kunna finnas andra t-värden utanför det testade intervallet som ger påvisbart att I-II ≠ 0. Man vet:

• att väljer man t tillräckligt stort kommer alltid till slut I-II>0 för samtliga ämnen

Ett ytterligare alternativ är att något samband mellan I-II och t inte kan påvisas men att medelvärdet av I-II för ett antal t antingen är påvisbart <0 eller >0. Slutsatser för respektive alternativ:

• I-II<0: ingen motoravstängning bör ske i det testade intervallet • I-II>0: motoravstängning bör ske i det testade intervallet.

Man kan förvänta olika optimala gränser för val mellan avstängning och tomgångskörning under olika förutsättningar vilket försvårar en fullständig kartläggning.

Ett beslutsunderlag för att fastställa bästa motorhantering under stopptid skulle minst behöva omfatta avgasmätningar för följande förutsättningar:

• olika toch ttgav

• olika efterföljande körcykler inklusive variation av längd • olika temperaturförhållanden

• olika drivsystem • olika tekniknivåer

• ”många” bilar av varje typ.

Mätdata bör lämpligen omfatta möjlighet till uppdelning enligt följande på delutsläpp för att om möjligt kunna reducera mätbehovet:

• e/t • etg(t) • est(t,ttgav) • eav(t,ttgav)

Den statistiska spridningen, samma fordon och förutsättningar i övrigt, i emissionsdata kan vara stor. Därmed finns ett behov av större stickprov för att kunna påvisa eventuella samband mellan utsläpp och olika förutsättningar. Inom emissionsområdet försvåras möjligheten att nå större stickprov av att avgasmätningar är resurskrävande.5 Möjligheterna att nå fram till statistiskt säkerställda slutsatser är därmed inte stora om inte den sökta effekten är stor. Därav följer också en risk för att samband existerar trots att dessa inte kunnat påvisas. Genom att det därmed kan förväntas finnas en betydande risk för att antalet mätobservationer från föreliggande studie inte kan förväntas vara tillräckliga ur statistisk synpunkt finns ett stort behov av att utöver egna mätdata också utnyttja all tillgänglig information som beskriver de studerade förhållandena. Ett problem i detta sammanhang är hur olika informationsbitar skall sammanviktas, som följd av bl.a. olika provmetoder.

Enligt Hammarström (2001a) finns en systematisk variation i utsläpp då samma körförlopp upprepas många gånger under en mätdag. Detta förhållande kan försvåra analyser där man genom mätningar vill utvärdera betydelsen av varierande förutsättningar som stopptider eller kryphastighet. Ett sätt att hantera detta problem kan vara att ha två mätserier där förutsättningarna i den andra väljs i omvänd ordning jämfört med i den första.

4.2 Krypkörning

Det kanske största problemet inför mätning av avgaser under krypkörning är valet av körcykler. Varje medelhastighet kan representeras av oändligt många olika körcykler. För varje körcykel finns dessutom oändligt många växlingsförlopp. Betydelsen av alla dessa varianter uttrycks av variationen i avgasutsläpp. Vad man med säkerhet vet är att ju mera bortbromsad energi ett körförlopp representerar per medelhastighet desto högre bränsleförbrukning och utsläpp av CO2. Eftersom

samtidigt den totala avgasmängden per sträckenhet ökar så kan man också i de flesta fall förvänta ökningar av de olika ämnena i avgaserna. Då hastigheten sjunker under 30 km/h motsvarar detta att stopptiden utgör en allt större andel av restiden. Samband mellan utsläpp och reshastighet blir därmed beroende av relationen för utsläpp per tidsenhet mellan tomgång och övriga driftsituationer.

Eftersom krypkörning kan innehålla en betydande andel tomgångskörning är det rimligt att anta att temperaturen i katalysatorn och därmed utsläppen kan vara beroende av körcykelns längd. Denna effekt av tid på temperatur och utsläpp ingår i det som söks.

Samband mellan avgasutsläpp och hastighet används inom vägplanering. Dessa samband tillämpas på vägobjekt av olika längd och förutsätts vara oberoende av objektets sträcklängd. Skulle det finnas ett beroende av sträcklängd så skulle dessa samband behöva innehålla en korrektion för väglänkens längd.

Då hastigheten sjunker under 30 km/h kan utsläppen per sträckenhet antingen öka eller minska. Då hastigheten kommer tillräckligt nära 0 km/h kommer alltid utsläppen per sträckenhet att gå mot stora värden.