5 Metod övergripande
5.1.2 Mätschema, krypkörning
Viktiga punkter att basera ett mätschema för krypkörning på kan vara:
• Att försituationen kan ha betydelse för utsläpp under efterföljande krypkörning
• Vid val mellan standardiserade körcykler för stabilisering kan medelhastighet vara av betydelse:
- FTP-Yct/Yht, 41 km/h
- FTP-Ys, 26 km/h
- EC2000 låg, 19 km/h - EC2000 hög, 62 km/h
• Även maxhastighet för standardiserade körcykler kan vara av betydelse: - FTP-Yct/Yht, 91,2 km/h
- FTP-Ys, 55,2 km/h
- EC2000 låg, ca 50 km/h - EC2000 hög, ca 125 km/h
• Längden per körcykel, tid eller sträcka. Tillämpningen i EVA-sambanden talar för lika sträcklängd för olika körcykler om dessa skall användas för effektbeskrivning på samma länktyp
Dataunderlag från Essingeleden i Stockholm finns tillgängliga som resultat av ett VV-uppdrag till VTI. Underlaget baseras på mätningar enligt ”floating car”. VTI:s mätbil har bl.a. registrerat:
• tid
• vägkoordinat
• olika temperaturer i motorn • bränsleförbrukning
• motorvarvtal.
Samplingsfrekvens har skett med tidsteget 0,5 sek.
Ur dataunderlaget från Essinge-leden har körförlopp valts ut för avgasmätning. Detta val av körmönster har baserats på ett antal urvalskriterier:
1. Ett homogent körmönster:
• ungefär samma våglängd och amplitud för hastighetsvariation över sträckan
• ungefär samma täthet av stopp över sträckan per utvalt körförlopp
2. De utvalda körförloppen bör vara ungefär lika långa (+/-20 %) uttryckt i körsträcka
3. Avgränsning till vägavsnitt med hastighetsgräns 70 km/h mot bakgrund av uppdragsgivarens behov
4. Helst sträckor utan av- och påfarter inne på sträckan dvs. körförloppet bör helst renodlas till länkförlopp.
5. Undvik sträckor med större lutning (abs(lutning)< 2 %)7
6. En serie av utvalda körförlopp bör helst avse samma del av Essingeleden inkl riktning. Kravet är inte exakt samma start- och slutpunkt utan mera ungefärligt
7. Samma start- och sluthastighet per utvalt körförlopp.
Baserat på ovanstående har 4 körförlopp avseende krypkörning valts ut, se figur 5.1–5.4.8
7 Inte helt självklart mot bakgrund av att vad som är utmärkande för tunnlar är förekomst av
lutningar. Vad som talar för att undvika lutningar är att man får en bas att utgå ifrån, vilken blir mera generell.
0 5 10 15 20 25 0 100 200 300 400 500 600 700 Tid (sekund) Ha st ig he t (k m/ h) Figur 5.1 Körförlopp V1 (4,3 km/h). 0 5 10 15 20 25 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Tid (sekund) H as tig he t ( km /h ) Figur 5.2 Körförlopp V2 (9,3 km/h). 0 5 10 15 20 25 30 35 40 H as tighe t ( km /h )
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 50 100 150 200 250 300 Tid (sekund) H as tighe t ( km /h ) Figur 5.4 Körförlopp V4 (28,3 km/h).
Som följd av missförstånd har varje körcykel på chassidynamometern börjat och slutat med 0 km/h dvs. alla körcykler innehåller minst ett stopp. Därav följer också en något lägre hastighet för den resulterande körcykeln jämfört med den planerade. Enligt tabell 6.1 varierar sträcklängden för körcyklerna enligt följande: 1,08; 1,82; 1,93 och 1,89 km.
För varje körförlopp finns utöver hastighet ett tillhörande växlingsförlopp. Körförlopp med tillhörande växlingsförlopp sek för sek har sammanställts i bilaga 2. Dessa förlopp är uppmätta i en bil med 5-växlad manuell växellåda.9
Samma körförlopp och växlingsförlopp, oberoende av utväxlingsförhållanden, har använts för samtliga mätbilar.
Varje mätning baserad på de fyra redovisade körförloppen föregås av en stabiliseringsfas.
Det bedömdes vara lämpligt att välja en stabiliseringskörcykel i samma hastighetsområde som de körcykler, vilka primärt skall utvärderas. En sådan körcykel är EC2000-låg. Denna innehåller fyra i stort sett identiska delar. Här har valts ett körförlopp lika med de två första delarna.
Enligt ( Hammarström och Edwards, 2000) ) förändras katalysatortemperaturen under tomgångskörning. Temperaturfallet per tidsenhet är inledningsvis 1/3 av temperaturfallet för avstängd motor. Krypkörning kan innehålla en betydande andel tomgångskörning. En hypotes är därmed att katalysatortemperaturen och därmed avgasutsläppen kan påverkas av körcykelns längd. Denna hypotes har testats genom att upprepa samma körcykel, den med lägst medelhastighet, tre gånger i direkt följd. Därmed fås ett mätschema enligt tabell 5.2.
9 Uppmätt bränsleförbrukning för mätbilen på Essingeleden i Stockholm: V1, 4,56 l/mil;
Tabell 5.2 Mätschema, krypkörning med EC2000-låg* för stabilisering.
Körcykel Körtid (min) Medelhast.
(km/h) Säck Längd (km) EC2000-låg 7 19 18 2,033 V1-1.1;V1-1.2;V1- 1.3 3 x 8,9= 26,8 4,3 19–21 3x1,078 EC2000-låg 7 19 22 2,033 V2.1 12 9,3 23 1,820 EC2000-låg 7 19 24 2,033 V3.1 5,6 20,9 25 1,929 EC2000-låg 7 19 26 2,033 V4.1 4,1 28,3 27 1,888 EC2000-låg 7 19 28 2,033 V4.2 4,1 28,3 29 EC2000-låg 7 19 30 2,033 V3.2 5,6 20,9 31 EC2000-låg 7 19 32 2,033 V2.2 12 9,3 33 EC2000-låg 7 19 34 2,033 V1-2.1;V1-2.2;V1- 2.3 3 x 8,9= 26,8 4,3 35–37 3x1,078 EC2000-låg 7 19 38 2,033 Ys 14,4 26 39 Totalt 174,4
*Halva EC2000-låg inkl. de första 40 sekunderna med tomgång.
För varje V(i), varje EC2000 och Ys skall en säck finnas dvs. totalt 22 säckar.
Syftet med att lägga en Ys sist (säck 39) i tabell 5.2 är för kontroll av om det skett
någon systematisk nivåförändring av utsläppen under mätdagen. Säck 39 kan då jämföras med säck 5.
5.2 Mätinstruktion
Följande instruktioner ingick i beställningen av avgasmätningar: • Inställning av chassidyn mot utrullning
• Utrullning bör göras i en lufttemperatur som inte avviker alltför mycket från mätcellens
• Normalt ringtryck för körning på väg under utrullning
• Av chassidynamometer genererat motstånd skall inte gå mot noll då hastigheten går mot noll (mot rullmotstånd för icke drivande hjul)
• Bilarna skall före prov genomgå basservice
• Mätarrangemang enligt FTP och med standardtemp ca 20° om inget annat föreslagits
• Samma bränsle till bilar i samma grupp – förgasare; kat; diesel – och för samtliga mätningar
• Redovisning av uppgifter om bränsledensitet samt om möjligt bränsleanalyser i övrigt
• Redovisning av fordonsbeskrivande variabler: tjänstevikt; bruttovikt under utrullning; kravnivå; däck, fabrikat och dimension; maxeffekt; utväxling i växellåda; utväxling i slutväxel; mätarställning
• Betydelsen av att choken i förekommande fall hanteras på ett representativt sätt/standardiserat sätt10
• Ämnen som registreras med säckmätning: HC; NMHC; CO; NOx; NO2;
PM; CO2. Dessutom skall bränsleförbrukning kunna redovisas
• Redovisning av uppgifter om hur mätdata korrigerats i förekommande fall • Redovisning av mätnoggrannhet för samtliga viktiga variabler.
Körförloppen, vilka mätningar har utförts för, har en maximal momentan hastighet av 55 km/h med väsentligt lägre medelhastigheter, under 30 km/h. Utrullningar för inställning av chassidynamometer kan därmed också utföras för hastigheter under 55 km/h. Eftersom det inte kan uteslutas att schablonmetoden för inställning av fordonsspecifika parametrar kan ge betydande avvikelser från ”vägvärden” är det angeläget att uppskatta dessa parametrar.
5.3 Mätbilar
Önskemål från VV om mätbilar var bl.a. följande11: • Två bilar utan katalysator, bensin
• Tre bilar med katalysator, bensin - En av tidigt 90-tal (kravnivå A12) - En av årsmodell 96 – 98 (MK2 eller 3) - En av årsmodell 2000 – (kravnivå 2000) • En dieseldriven personbil av årsmodell 96–.
Bilarna skulle vara så representativa som möjligt för vad som gäller inom bilparken med avseende på följande:
• ackumulerad körsträcka • utrustning
• skick.
Mot bakgrund av att resultaten i (Hammarström, 2001a), systematisk förändring av utsläppen under lång mätsträcka, skulle kunna vara en följd av automatisk växellåda fanns ett önskemål om att bilarna skulle vara utrustade med manuella växellådor.12
Ingen av bilarna fick vara behäftad med fel av sådan typ som skulle kunna medföra att utsläpp eller bränsleförbrukning avviker betydligt från det normala för bilmodellen.
Betydelsen av tomgångskörning kan förväntas bero av tomgångsvarvtal. Förhöjd tomgång kan förekomma både direkt vid motorstart men också för fullt uppvärmd motor i början av stopptid med tomgång. Syftet med den förhöjda tomgången kan förväntas ha varit begränsning av de reglerade utsläppen men till priset av förhöjd bränsleförbrukning.
Tidigare, slutet av 80-talet och en bit in på 90-talet, var det tämligen vanligt med förhöjd tomgång. Man hade en s.k. "dash pot", en luftkolv som dämpade gasspjällets återgång i syfte att klara avgasutsläppen. För att klara kraven i dag strävar man efter låg tomgång även med kall motor13.
VTI har inom projektet genomfört en analys av de s.k. -Västeråsdata (Johansson et al., 1999) avseende förekomst av förhöjd tomgång vid stopp, se tabell 5.3.
11 I Vägverkets EVA-modell (Johansson,2001) görs följande indelning av bensindrivna
personbilar:
• kategori A, bilar utan katalysator
• kategori B, bilar med katalysator i kravnivå A12
• kategori C, bilar med katalysator av årsmodell 1997 uppfyllande avgaskrav 94/12EG • kategori D, bilar med katalysator av årsmodell 2000 uppfyllande avgaskrav 98/69/EG
nivå 2000
• kategori E och F, bilar med katalysator av årsmodell 2005 uppfyllande avgaskrav 98/69/EG och med olika bränsleförbrukning.
Tabell 5.3 Ministudie avseende förekomst av förhöjd tomgång.
Bilmodell Resultat
Mondeo Inga tecken på förhöjd tomgång vid stopp. Ganska stabil tomgång.
Golf Inga tecken på förhöjd tomgång vid stopp. Ganska stabil tomgång.
Volvo Små tecken på förhöjd tomgång.
I sällsynta fall kan det upp till 6 sek innan tomgången stabiliserats. Corolla Oftast nere på tomgång efter 6 sek men i vissa fall är tomgången
förhöjd upp till 20 sek. Dock mycket sällsynt.
Vid stopptidens början är tomgången oftast runt 900 för att sedan gå ner till ca 700.
Mycket instabil tomgång. Skulle kunna vara föraren som har foten på gaspedalen. Går dock inte att kolla eftersom throttledata saknas. Polo Inga tecken på förhöjd tomgång vid stopp.
Ganska instabil tomgång.
*Baserad på analys av underlagsdata till (Johansson et al., 1999).
Andra av VTI kända bilar med förhöjd tomgång för fullt uppvärmd motor vid stopptidens början:
• VOLVO 940 1992 • Toyota Previa 1992.
I föreliggande studie har mätningar utförts i två omgångar med totalt 8 bilar. I tabell 5.4 ges beskrivningar av dessa bilar.
Tabell 5.4 Beskrivning av mätbilar. Mätar-ställn (km) Sväng- Massa (kg) Bil- modell Reg-nr Års- mod Effekt (kW) Omg.1 Omg.2 Första reg Tjänste- Vikt (kg) Omg.1 Omg.2 Driv- medel Trans- mission Ingår i omgång Kate- gori Krav- nivå Saab 900 GLS GJP 115 1981 79 ca 180000 1290 1590 Bensin A3 1 A A10 Volvo 244 GL* AYP 625 1985 246098 1360 1360 Bensin M5 1 A A10 GOLF CL CCL692 1985 55 252859 1985 1020 1360 Bensin M5 2 A JETTA CL FAL055 1982 55 340040 1982 970 1360 Bensin M4 2 A VW Passat 2.0 PGU 164 1994 85 78866 91742 1994 1400 1470 1470 Bensin M5 1+2 B Volvo 850 GLE PYZ884 1993 103 311211 324703 1993 1530 1750 1750 Bensin M5 1+2 B Mk3 L1 A51/92 BMW 323 Ci TCM 559 2000 125 30477 46431 2002 1540 1360 1470 Bensin M5 1+2 D 98/69 EU2000 (stage 3) Peugeot 406 Hdi** PBO 410 2000 80 146584 168705 1999 1530 1470 1470 Diesel M5 1+2 Diesel
*Volvo 240. med nålförgasare. Bilens höga förbrukning skulle kunna förklaras av att nålen och munstycket har blivit slitna efter ett antal tusen mil och speciellt när bilen kördes på blyfri bensin.
**Peugeot 406 HDi av årsmodell 2000. en "vanlig" högtrycksdiesel med liten oxidationskat.
VTI ra
pp
ort 519
Chassidynamometern skall under avgasmätning ge representativa färdmotstånd för körning på väg. Inställning av en chassidynamometer kan antingen baseras på mätning, utrullning, eller på en schablonmetod. Målsättningen i föreliggande studie har varit inställning baserad på utrullning. Till inställning hör också svängmassa. I tabell 5.5 redovisas valda inställningar.
Tabell 5.5 Inställning av chassidynamometern under mätning. Utrullning* Chassidyn.* Bil Omgång F0 F1 F2 F0 F1 F2 Svängmassa Saab 900 GLs 1 170 0 0,638 ** ** ** 1 590 Volvo 244 GL 1 160 0 0,638 ** ** ** 1 360 GOLF CL 2 ** ** ** 40,2 0,428 0,413 1 360 JETTA CL 2 ** ** ** 56,1 1,764 0,400 1 360 1 180,7 - 0,144 0,422 ** ** ** 1 470 VW Passat 2.0 2 ** ** ** 90,3 -2,434 0,486 1 470 1 ** ** ** ** ** ** 1 750 Volvo 855-512 GLE 2 ** ** ** 134,2 –3,071 0,629 1 750 1 ** ** ** ** ** ** 1 360 BMW 323 Ci 2 ** ** ** 69,9 –2,570 0,441 1 470 1 130,6 2,10 0,351 ** ** ** 1 470 Peugeot 406 Hdi 2 ** ** ** 47,2 0,965 0,363 1 470
*F=F0+F1*V+F2*V2 (V(m/s)). De av MTC levererade parametervärdena har varit på två
former, en avseende m/s och en avseende km/h. VTI har överfört km/h-värdena till m/s-värden. **Uppgifter saknas.
I figur 5.1 redovisas de motstånd vid konstanta hastigheter som chassidynamometern varit inställd för under mätomgång 2.
Figur 5.1 Motstånd vid konstanta hastigheter genererade av chassidynamo-
metern under mätomgång 2.
5.4 Modellansatser
5.4.1 Motorhantering under stopptid
Genom att tomgångsutsläpp och starttillägg inte registrerats under mätomgång 2 försvåras analysen. De stora skillnader som i övrigt finns mellan omgång 1 och 2 kan ytterligare förväntas försvåra eller störa meningsfulla analyser.
Ansatser har testats för följande grupper av data: utsläpp med tomgång; utsläpp med föregående avstängning; differensen mellan utsläpp under tomgång och under avstängning samt kvoten mellan tomgång och avstängning.
Genom att mätningarna utförts olika mellan omgång 1 och 2 har ytterligare varianter tillkommit.
I avsnitt 4 har principiella funktionsansatser för tomgångs- respektive avstängningsalternativen angivits. Mätdata är avgränsade till att hela stopptiden antingen är med tomgång eller med avstängning. Därmed har också funktionsansatserna avgränsats till att antingen beskriva tomgång eller avstängning.
Tomgång
Emissionsvärdena utgörs av två delar, en inledande tomgångsdel och en efterföljande körcykeldel. Tomgångsutsläpp ingår enbart i mätomgång 1. Körcykeldelens utsläpp kan påverkas av den föregående tomgångstiden och kan förväntas gå asymptotiskt mot ett gränsvärde då tomgångstiden går mot stora värden. Inom det tidsintervall för stopptid – 0,5 till 2 minuter – som ingår i mätdata skulle en linjär ansats kunna vara tillräcklig.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Hastighet [km/h] Motst å nd [N ] Volvo 855 BMW 323 Ci VW Passat VW Golf 1.6 VW Jetta Peugeot 406 Hdi
Följande funktioner har ansatts för samtidig analys av omgång 1+omgång 2:
a10*t *IND+ a11 + a12*(1 – exp(-a13*t)) a10*t *IND+ a11 + a12*t
t: stopptid i minuter. IND:
• =1 om utsläpp under tomgång har registrerats • =0 om utsläpp under tomgång inte har registrerats.
Variabeln IND har enbart använts för samtidig analys av mätdata från omgång 1 och 2.
Säck 39 motsvarar körcykel Ys utan modifiering dvs. någon inledande tomgång före själva körcykeln förekommer inte i dessa säckvärden. Mätdata från dessa prov har generellt, både i omgång 1 och 2, betraktats som att tomgångs- utsläpp registrerats för en tomgångstid=0 sek.
Vid analys per mätomgång har följande funktionsansats testats:
a11+a12*t
Analyser har utförts för tre datamängder: • omgång 1 och omgång 2 samtidigt • omgång 1
• omgång 2.
Den första och andra punkten kan användas för beskrivning av de totala utsläppen.
Avstängning
För utsläpp efter avstängning har följande ansatser testats:
a11 + a12*(1 – exp(-a13*t)) a11 + a12*t
Analyser har utförts för följande data: • omgång 1
• omgång 2.
Tomgång/avstängning
Observationer har bildats som differensen mellan säck med tomgång och säck med avstängning för samma stopptid. Värdepar har valts som intilliggande värden i mätserien.
Funktionsansats:
a11+a12*t
Kvoten tomgång/avstängning
Observationer har bildats av kvoten mellan säck med tomgång och säck med avstängning för samma stopptid. Värdeparen har valts som intilliggande värden i mätserien. Därmed får man 6 kvot-värden per bil och mätomgång. Analyser har utförts för tre datamängder:
• omgång 1+omgång 2 samtidigt • omgång 1
• omgång 2.
Modellansats för omgång 1+omgång 2:
a10*t*IND + a11 + a12*t
a10*t*IND + a11 + a12*t + a13*t2
IND:
• =1 om utsläpp på tomgång har registrerats • =0 om utsläpp på tomgång inte har registrerats
Vid funktionsanpassning mot omgång 1 respektive omgång 2:
a11+a12*t
De föreslagna funktionsansatserna för parameterskattning kan ses mot bakgrund av de principiella funktionsansatserna i avsnitt 4:
(e/t*t+etg(t))/( e/t*0+est(t,0)+eav(t,0))
Därav framgår att de testade funktionsansatserna utgör betydande förenklingar av den principiella beskrivningen.
5.4.2 Krypkörning
Analys A: Samband mellan emission och hastighet. Per ämne och fordons-
kategori söks samband enligt följande:
e = a0 + a1*V + a2*V2
V: medelhastighet under körcykel (km/h)
Funktionsanpassningen har upprepats tills endast parameterskattningar skilda från 0 återstår.
Skattningar har utförts mot följande datamängder:
• V1-V4: V1-1.1; V2-1; V3-1; V4-1; V4-2; V3-2; V2-2; V1-2.1
• V1-V4 samt: V1-1.2; V1-1.3; V1-2.2; V1-2.2; Ys(39) samt alla EC2000låg.
Analys B: Det kan finnas risk för systematiska förändringar i emissioner för långa
mätserier per dag. Genom analys av utsläpp för exakt samma mätförhållanden under varje mätserie kan en sådan hypotes testas. Ett lämpligt underlag för en sådan analys är mätdata enligt EC2000 låg.
Analys per ämne och kategori.
e = a0 + a1*(säcknummer)
Analys C: Det kan finnas risk för en systematisk förändring av utsläpp som
funktion av tid under körcykler med låga effektuttag. En sådan körcykel är V1 med ett stort inslag av tomgångskörning.
V(i) har per mätserie, omgång 1 och 2, två serier av mätningar för hastighet V1. Tre mätningar för V1 har utförts i direkt följd. Frågeställningen var om det finns någon påvisbar trend så att utsläppen systematiskt förändras då V1 upprepas. Betrakta den 1:a och den 2:a serien som likvärdiga. Analys har utförts per ämne och kategori.
e=a0 + a1*(nummer(1, 2 eller 3))
5.5 Analyser
Analyser har genomförts per bilkategori och ämne enligt givna ansatser. Låt parametrar som inte kan påvisas vara skilda från noll utgå och upprepa analyserna till dess samtliga återstående parametrar kan påvisas vara skilda från noll. Detta gäller både tomgång och krypkörning. Alla test av olika parametervärden har utförts oberoende av övriga test dvs. att problematiken med mass-signifikans inte har beaktats. Skulle detta beaktats skulle sannolikt antalet skattade signifikanta parametrar minska. Alla konfidensintervall i skattningarna är på nivån 95 %.
Stopptid. För kvoten (tomgång)/(avstängning) har, om a10, a11 och a12 inte
kunnat påvisas vara skilda från noll, frågeställningen varit om a11 är skild från 1. Vid sammanviktning av resultat ur litteraturen och mätresultat enligt föreliggande studie har följande metod valts:
• sammanvikta litteraturreferenserna med samma vikt per referens
• sammanvikta resultatet av föregående punkt med föreliggande studies mätresultat med samma vikter.
Vid sammanviktningen har exempelvis antal bilar per studie inte beaktats.
Ett speciellt problem vid bestämning av undre och övre gränser för lönsam avstängning är om någon källa inte ger en bestämd gräns utan att gränsen exempelvis finns under visst tidsvärde. Följande metod har följts i största möjliga utsträckning:
• samtliga källor har värden, bilda medelvärde
• samtliga källor anger att gränsen exempelvis ligger över visst värde, välj största gränsen
• vissa källor anger att gränsen ligger i intervall medan andra anger visst värde:
- angivna värden ligger i angivna intervall, välj medelvärde av angivna värden
- angivna värden ligger utanför angivna intervall, bilda medelvärde av värden och gränsvärden.
En grupp referenser avser studier av kallstarteffekter eller egentligen starteffekter. Dessa innehåller två typer av mätningar:
• en med avstängning och normalt med längre avstängningstider än vad som är mest intressant för motorhantering under stopptid
• en utan avstängning och utan tomgångstid.
Om man bildar kvoten mellan utan och med avstängning följer sannolikt en underskattning av vad som söks dvs. att täljaren också skall innehålla tomgångsutsläpp. Om en kvot baserad på kallstartdata>1 vet man att den sökta kvoten också>1. Om en kvot baserad på kallstartdata<1 kan den sökta kvoten antingen vara <1 eller >1.
Enligt avsnitt 4.1 kan det parallellt förekomma två intervall med och två utan lönsam avstängning. Ett problem då referenser skall utnyttjas för att uppskatta t1,
t2 och t3 är att avgöra om en undre gräns för avstängning avser t1 eller t3. Det
kanske enda sättet att klara detta problem är genom tillgång till mätdata över ett ”stort” stopptidsintervall och med tillräcklig täthet mellan observationerna.
Krypkörning. Utvärderingen har inriktats på relativ förändring av utsläpp med
hastighet. Därför har alla utsläpp, både enligt litteraturen och också mätdata i föreliggande studie, normerats relativt utsläpp vid 25 km/h.