VTI rapport 519 Utgivningsår 2005
www.vti.se/publikationer
Motorhantering under stopptid: tomgång eller
avstängning
Utsläpp under krypkörning
Avgasmätningar och litteraturgenomgång
Ulf Hammarström Mohammad-Reza Yahya
Utgivare: Publikation: VTI rapport 519 Utgivningsår: 2005 Projektnummer: 50390 581 95 Linköping Projektnamn:
Förbud mot tomgångskörning kräver beslutsunderlag
Författare: Uppdragsgivare:
Ulf Hammarström och Mohammad-Reza Yahya Vägverket
Titel:
Motorhantering under stopptid: tomgång eller avstängning
Utsläpp under krypkörning – Avgasmätningar och litteraturgenomgång
Referat (bakgrund, syfte, metod, resultat) max 200 ord:
Tillgången på underlag för beslut om begränsning av tomgångskörning är knapphändig. Det finns också anledning att tro att betydelsen av motorhantering under stopptid kan vara olika för olika drivsystem och tekniknivåer m.m. vilket med tiden ger ett utökat behov av beslutsunderlag.
Behovet av underlag som beskriver avgasutsläpp under krypkörning är speciellt stort för tunnlar. Ventilationsanläggningar i tunnlar dimensioneras baserat på samband mellan utsläpp och medelhastighet. Dessa samband har hittills inte på ett tillfredställande sätt kunnat baseras på mätdata i hastighetsintervallet under 30 km/h.
Metoddelen har omfattat litteraturgenomgång, mätningar och analyser.
Olika mål resulterar i olika gränstider för tomgångskörning. För hela bilparken har olika gränser uppskattats för olika mål: privatekonomiska, 12 sekunder; samhällsekonomiska totalt, 23 sekunder; energipolitiska, 12 sekunder och luftkvalitet, 36 sekunder. Det finns också tidsgränser per ämne, per tekniknivå och per fordonstyp. Diesel ger kortare tid än bensin.
För ”kryphastighet” förändras utsläpp av kväveoxider (NOx) enligt utförda mätningar med mellan
-51 och 171 % för olika motortyper då hastigheten sjunker från 25 till 10 km/h. Det finns betydande skillnader i bränsleförbrukningens hastighetsberoende både mellan och inom olika studier. De samband som kunnat uppskattas för avgaspartiklar har inte i något fall visat ökande utsläpp med sjunkande hastighet från 25 km/h.
Publisher: Publication: VTI rapport 519 Published: 2005 Project code: 50390
SE-581 95 Linköping Sweden Project:
Prohibition of idling must be based on data
Author: Sponsor:
Ulf Hammarström and Mohammad Reza-Yahya The Swedish Road Administration
Title:
Engine management during standstill periods: idling or engine turn-off.
Emissions during crawling speed conditions – Exhaust measurements and a survey of the literature
Abstract (background, aims, methods, results) max 200 words:
There is a scarcity of data on which decisions can be based regarding the limitation of idling during standstill periods. There is also reason to believe that the significance of engine management during standstill may vary between different propulsion systems and technical standards etc, which will increase the need for a decision base.
The need for data that describe exhaust emissions during crawling speed is particularly great in the case of tunnels. Ventilation plants in tunnels are designed on the basis of relationships between emissions and mean speed. Up till now, for speeds below 30 km/h, these relationships have not been satisfactorily based on measured data.
The primary objective has been to fill the gaps in knowledge by exhaust measurements. The methodology has comprised a survey of the literature, measurements and analyses.
Different objectives result in different limiting times for idling during standstill periods . For the vehicle fleet as a whole, different limits have been estimated for different objectives: for private economy, 12 seconds; for macro economy overall, 23 seconds; for energy policy, 12 seconds, and for air quality, 36 seconds. There are also time limits per compound, per technical standard and per vehicle type. The time for diesel is shorter than for petrol engine.
According to measurements, emission of oxides of nitrogen (NOx) at crawling speed varies over the range -51 and 171% for different engine types when speed drops from 25 to 10 km/h. There are considerable differences in the speed dependence of fuel consumption both between and within studies. The relationships which could be estimated for particulate emissions do not, in any one case, indicate an increase in emission as speed drops from 25 km/h.
ISSN: Language: No. of pages:
Förord
Den här redovisade studien har utförts på uppdrag av Vägverket. Vägverkets benämning på projektet är ”Förbud mot tomgångskörning kräver besluts-underlag”. Kontaktman hos Vägverket har varit Pär Gustafsson.
De avgasmätningar som studien baseras på har utförts av AVL MTC AB, med Magnus Henke respektive Lars Eriksson som ansvariga för de i studien ingående två mätomgångarna.
Projektledning, analys och dokumentation har utförts av VTI enligt följande: • Statistisk analys, Mohammad-Reza Yahya
• Projektledning, övrig analys och dokumentation, Ulf Hammarström. VTI:s ansökan till VV om att få genomföra här redovisad studie var till stor del en följd av att Uno Nyman och Per Gillbrand på SAAB för VTI påpekat att den befintliga tidsgränsen för tomgångskörning kunde ifrågasättas. Detta styrktes genom att SAAB i egen regi genomförde avgasmätningar. Dessa mätresultat redovisas i föreliggande dokumentation.
Föreliggande dokumentation har behandlats på ett granskningsseminarium med Maria Holmström, GM POWERTRAIN, som lektör.
Linköping maj 2005
Innehållsförteckning
Sammanfattning 5 Summary 11 1 Bakgrund 17 2 Målsättning 18 3 Existerande kunskap 193.1 Motorhantering under stopptid 19
3.2 Krypkörning 27
4 Problembeskrivning 31
4.1 Motorhantering under stopptid 31
4.2 Krypkörning 37
5 Metod övergripande 38
5.1 Mätschema 38
5.1.1 Mätschema för motorhantering under stopptid 38
5.1.2 Mätschema, krypkörning 39
5.2 Mätinstruktion 44
5.3 Mätbilar 45
5.4 Modellansatser 49
5.4.1 Motorhantering under stopptid 49
5.4.2 Krypkörning 51 5.5 Analyser 52 5.6 Litteratursökning 53 6 Mätdata 54 6.1 Övergripande 54 6.2 Omgång 1 54 6.3 Omgång 2 56
6.4 Jämförelse mellan omgång 1 och omgång 2 57
6.5 Stabilitet 59
7 Resultat av mätningar 61
7.1 Uppvärmningseffekter 61
7.2 Motorhantering under stopptid 63
7.2.1 Tomgång 64
7.2.2 Avstängning 65
7.2.3 Differensen mellan tomgång och avstängning 66
7.2.4 Kvoten (tomgång)/(avstängning) 67
7.2.5 Sammanfattning av motorhantering under stopptid 70
7.3 Krypkörning 72
7.3.1 Utdragen krypkörning 72
7.3.2 Krypkörning och medelhastighet 73
8 Mätningar och litteratur, sammanfattning 76
8.1 Motorhantering under stopptid 76
8.2 Krypkörning 86
9 Diskussion 88
10 Slutsatser 105
Referenslista 107
Bilaga 1 Emissionsfaktorer under krypkörning Bilaga 2 Körmönster, krypkörning
Bilaga 3 Jämförelse mellan omgång 1 och 2 Bilaga 4 Mätförhållanden
Bilaga 5 Antal observationer per typ av prov, per omgång, per fordon och per ämne
Motorhantering under stopptid: tomgång eller avstängning/Utsläpp under krypkörning
– Avgasmätningar och litteraturgenomgång.
av Ulf Hammarström och Mohammad-Reza Yahya VTI
581 95 Linköping
Sammanfattning
Genom egna mätningar och en litteraturstudie har underlag avseende motorhantering under stopptid och för utsläppens variation med hastighet vid krypkörning sammanställts. En i Sverige vanlig övre gräns för tillåten tomgångskörning är 1 minut. Olika mål resulterar i olika gränstider. För hela bilparken har olika gränser uppskattats för olika mål: privat-ekonomiska, 12 sekunder; samhällsekonomiska totalt, 23 sekunder; energipolitiska, 12 sekunder och luftkvalitet, 36 sekunder. Det finns också tidsgränser per ämne, per tekniknivå och per fordonstyp. Diesel ger kortare tid än bensin.
För ”kryphastighet” förändras utsläpp av kväveoxider (NOx) enligt
utförda mätningar med mellan -51 och 171 % för olika motortyper då hastigheten sjunker från 25 till 10 km/h. Det finns betydande skillnader i bränsleförbrukningens hastighetsberoende både mellan och inom olika studier. De samband som kunnat uppskattas för avgaspartiklar har inte i något fall ökande utsläpp med sjunkande hastighet från 25 km/h. Behovet av tillförlitliga samband mellan avgaser och hastighet är stort för planering av effektiva åtgärder som kan klara Miljökvalitetsnormernas krav på luftkvalitet.
Den utförda avgasstudien omfattar två underlag: ett för motorhantering under stopptid, tomgång eller avstängning, och ett om avgasutsläpp under krypkörning. Krypkörning kan ha ett betydande inslag av stopptid.
Mätningar har utförts med fyra kategorier av personbilar: • bensindrift utan katalysator (kat. A), 4 bilar
• bensindrift med katalysator av årsmodell 1993 och 1994 (kat. B), 2 bilar • bensindrift med katalysator av årsmodell 2000 (kat. D), 1 bil
• dieseldrift av årsmodell 2000 (kat. diesel), 1 bil. Mätningarna har kompletterats med en litteraturgenomgång.
Information om bästa motorhantering under stopptid kan utformas på två sätt:
• som en maximal tid för tomgångskörning varefter avstängning görs
• som en gräns att relatera till stopptider. Om stopptiden är kortare än gränsen väljs tomgång under hela stopptiden och om längre så avstängning under hela stopptiden.
Avgasmätningar har utförts för tre stopptider – 30, 60 och 120 sekunder – och under en efterföljande 14 minuter lång standardiserad körcykel. För varje stopptid har två mätningar med tomgång och två med motoravstängning utförts per bil.
Baserat på mätdata och en litteraturgenomgång har gränser för lönsam motorhantering uppskattats per personbilskategori och ämne. Med stopptid i följande intervall ger avstängning under hela stopptiden mindre utsläpp än tomgång: Ämne Kat. A (sek.) Kat. B (sek.) Kat. D (sek.) Kat. diesel (sek.) Kolmonoxid(CO) 16– (>465)– 70– 16–116 Kolväte(HC) 34– 270– 40–100 2– Kväveoxid(NOx) 30–100 4–425 (>120)– 31– Koldioxid(Bf/CO2) 18– 8– 20– 4– Partiklar(PM) – – – 29–
Med stopptider kortare än undre intervallgränsen (t1) ger tomgång minst utsläpp.
I några fall finns både en undre och en övre (t2) gräns. Eftersom tomgång alltid
kommer att ge större utsläpp än avstängning, bara tiden är tillräckligt lång, finns alltid en tredje gräns om en gräns t2 kunnat påvisas.
Hanteringen av motorn under stopptid kan indelas i två eller fyra tidsintervall. Generellt gäller att med stopptid i det första (t<t1) väljs tomgång och i det sista
avstängning under hela stopptiden. Med fyra intervall väljs avstängning om stopptid i det andra och tomgång om i det tredje.
Det kan också vara så att en kombination av tomgång och avstängning ger lägre utsläpp än enbart det ena alternativet.
Stopptidsgränser per kategori inom lätta lastbilar har uppskattats genom att antaga samma gränser per kategori som för personbilar. För tunga fordon har gränser uppskattats genom att antaga samma gränser som för dieseldrivna lätta bilar.
Genom viktning med avgasutsläpp i tätort per fordonskategori och per fordonstyp har genomsnittliga gränser (t1) för bilparken per ämne beräknats:
• CO, 190 sekunder • HC, 130 sekunder • NOx, 33 sekunder
• Bf/CO2, 12 sekunder
• PM, 28 sekunder.
För uppskattning av generella gränser, alla ämnen samtidigt, per fordonstyp eller totalt har olika samhällsekonomiska värderingar per ämne utnyttjats. Olika mål ger olika stopptidsgränser för bilparken totalt:
• privatekonomiska, 12 sekunder • energi, 12 sekunder
• luftkvalitet i tätort, 36 sekunder
• samhällsekonomiska totalt i tätort, 23 sekunder.
Man kan urskilja olika tider (t1) för olika grupper av personbilskategorier i
stigande ordning: diesel; bensindrift utan katalysator och därefter bensindrivna bilar med katalysator.
De bästa möjligheterna att uppskatta representativa värden på t1,
samstämmighet mellan egen studie och litteratur, skulle gälla i följande fall (fetstil: signifikans i egen studie):
• kat. A: CO; HC; Bf/CO2
• kat. B: NOx; Bf/CO2
• kat. diesel: CO; HC; NOx; PM; Bf/CO2.
Större skillnader mellan litteraturen och egen studie har bedömts föreligga i följande fall:
• undre gräns: kat. B: CO
• övre gräns: kat. B CO och NOx.
Data saknas antingen i egen studie eller i litteraturen i följande fall: • kat. A: NOx; CO2; PM
• kat. B: PM
• kat. D: samtliga ämnen.
PM för bensindrivna bilar är speciellt genom att värden på t1 och t2 genomgående
saknas.
En vanligen förekommande tidsbegränsning av tomgångskörning i svenska kommuner är 1 minut. Att för en inledande stopptid av 1 minut välja tomgång ger jämfört med avstängning exempelvis för bränsleförbrukning en ökning med ca 3 % under en ca 6 km lång stadskörcykel (FTP:Ys).
Om bilmotorer under stopptid skall hanteras optimalt för minimering av avgasutsläpp kan det vara olämpligt att uttrycka förbud mot tomgångskörning över viss tid. Det gäller istället att informera om när avstängning respektive tomgång bör väljas. Om denna information bedöms vara komplicerad att använda skulle ett alternativ kunna vara fordonsburet datorstöd. I litteraturen redovisas studier med sådan inriktning och med koppling till trafikstyrning. Med ett fordonsburet system finns också möjlighet att beakta emissionsegenskaper hos enskilda bilar. Ett alternativ på kort sikt bör vara information inom utbildning för miljövänligt körsätt.
Krypkörning avser här medelhastigheter under 30 km/h. Från mätningar i
annat sammanhang, Essingeleden i Stockholm, enligt ”floating car” har fyra körförlopp valts ut med medelhastigheter enligt följande: 4,3; 9,3; 20,9 och 28,3 km/h. Dessa körmönster representerar en vägmiljö med motorvägstandard. Avgasmätningar har utförts på chassidynamometer för dessa körförlopp inklusive tillhörande växlingsförlopp. Inom studiens krypkörningsdel ingår dessutom en del avseende betydelsen av utökad krypkörning i form av att körförloppet med lägst medelhastighet har genomförts tre gånger i direkt följd.
Mätningar för uppmätta körförlopp ger följande procentuella förändringar av utsläpp då hastigheten sjunker från 25 till 10 km/h:
Ämne Kat. A (%) Kat. B (%) Kat. D (%) Kat. diesel (%) CO 101 168 327 517 HC 74 215 626 5 NOx 3 55 -51 171 PM* (-54) (0) (-24) -2 (-43) Bf/CO2 114 104 98 94
*( ): mätdata både för uppmätta körförlopp och för standardiserade körcykler; kursivt: ej signifikant.
Föreliggande studie har ifråga om Bf/CO2 god överensstämmelse med andra
svenska studier både på väg och i laboratorium, medan överensstämmelsen är sämre med motsvarande samband i den inom EU använda s.k. COPERT III-modellen.
Med undantag för NOx och PM ökar utsläppen generellt både enligt egen studie
och enligt referenser då hastigheten sjunker från 25 km/h. För bensindrivna katalysatorbilar ger mätdata att det skulle kunna finnas en teknisk utveckling mot större relativa förändringar med hastighet för CO och HC och mot att NOx går
från ökning till minskning.
Utdragen krypkörning, upprepning 3 ggr. av körförloppet med 4,3 km/h, har
påvisats medföra ökande utsläpp i två fall: HC för kat. B och CO för kat. diesel. Detta påvisar ett behov av att vid tillämpning kunna korrigera för reslängd.
Beroende på brister i en första mätomgång har hela mätprogrammet upprepats. I den andra omgången tillkom nya brister.
Både för omgång 1 och 2 finns brister med avseende på representativiteten i valda inställningar av chassidynamometern. Genom en låg korrelation, 0,45, mellan inställda svängmassor och tjänstevikter följer en risk för att speciellt sambanden mellan utsläpp och kryphastighet inte är representativa för mätbilarna i verklig trafik.
Inställning av chassidynamometern för simulering av rullmotstånds-koefficienter uppvisar större variationer än vad som kommer till uttryck i rullmotståndsdata för 60 däckmodeller. Därmed kan inställningar för beskrivning av både accelerationskrafter och rullmotstånd ha medfört risk för sämre representativitet.
Övergripande behov av fortsatt forskning:
• översyn av rutiner för inställningar av chassidynamometrar och hur inställda parametervärden skall beskrivas och lagras
• komplettering av dataunderlag:
- speciellt vid stora skillnader mellan olika studier och för små underlag generellt
- för olika motortemperatur
Behov av fortsatt forskning om motorhantering under stopptid:
• kompletterande mätdata:
- både med kortare och längre stopptid än 0,5–2 min och med tillräcklig längd för att kunna bestämma samtliga intervallgränser mellan tomgång och avstängning
- avseende betydelsen av att kombinera tomgång och avstängning under stopptid liksom fördelning av tomgång före och efter avstängning. • analys av skillnader i intervallgränser mellan olika bilindivider
• kartläggning av förekomst av stopptider och uppskattning av totala effektivitetsvinster av optimala val mellan avstängning och tomgång under stopptid.
Behov av fortsatt forskning avseende krypkörning:
• utökning av dataunderlaget med körmönster för flera väg- och trafikmiljöer liksom för flera fordonstyper
• utökning av dataunderlaget för beskrivning av utsläppens beroende av körcykelns längd.
Både för motorhantering under stopptid och för krypkörning finns ett mycket stort behov av utökade dataunderlag. Sådana mera fullständiga kartläggningar skulle kunna genomföras mera kostnadseffektivt genom att kombinera mätningar med användning av simuleringsmodeller. För krypkörning skulle, bränsleförbrukning generellt och samtliga ämnen för dieseldrift, enklare s.k. ”kvasistationära” modeller kunna användas. Genom en sådan kombination, mätningar och simulering, skulle underlag kunna tas fram mera kostnadseffektivt samt en form av dubbelkontroll kunna uppnås.
Engine management during standstill periods: idling or engine turn-off./ Emissions during crawling speed conditions/Exhaust measurements and a survey of the literature
by Ulf Hammarström and Mohammad-Reza Yahya VTI
SE-581 95 Linköping Sweden
Summary
On the basis of our own emission measurements and a study of the literature, data have been compiled concerning engine management during standstill and emissions at various crawling speeds. A common upper limit in Sweden for the permissible idling period is 1 minute. Different objectives yield different limiting times. For the vehicle fleet as a whole, different limits have been estimated for different objectives: for private economy, 12 seconds; for macroeconomy overall, 23 seconds; for energy policy, 12 seconds, and for air quality, 36 seconds. There are also limiting times per compound, per technical standard and per vehicle type. The time for diesel is shorter than for petrol engine.
For crawling speed, according to measurements, the emission of oxides of nitrogen (NOx) varies over the range -51–171% for different engine types as
the speed drops from 25 to 10 km/h. There are considerable differences in the speed dependence of fuel consumption, both between and within different studies. The relationships which could be estimated for particulate emission do not, in any one case, indicate a rise in emission as speed drops from 25 km/h. There is an urgent need for reliable relationships between exhaust gases and speed so that effective measures can be planned that can meet the Environmental Quality Objectives.
The recent exhaust emission study comprises two sets of data: one for engine management during standstill, idling or engine turn-off, and one for exhaust emission during crawling speed conditions. Crawling speed driving can have a considerable element of standstill.
Measurements have been made on four categories of cars: • petrol cars without catalytic converter (Cat. A), 4 cars
• petrol cars with catalytic converter, year models 1993 and 1994 (Cat. B), 2 cars
• petrol cars with catalytic converter, year model 2000 (Cat. D), 1 car • diesel cars of year model 2000 (Cat. Diesel), 1 car.
The measurements have been complemented with a study of the literature.
Information on best engine management during standstill can be formulated in two ways:
• as a maximum period for idling, after which the engine is turned off • as a limit related to standstill periods. If standstill is shorter than the limit,
The primary focus of the study, the measurements, is on the second point. In an analysis the first point has also been examined.
Exhaust measurements have been made for three standstill periods – 30, 60 and 120 seconds – and during a subsequent standardised driving cycle of 14 minutes duration. For each standstill period, two measurements with idling and two with the engine turned off have been made for each car.
On the basis of the measured data and a study of the literature, limits have been estimated for emission effective engine management per car category and compound. With standstill in the following intervals, emission during the entire standstill period is less for engine turn-off than for idling:
Compound Cat. A (sec.) Cat. B (sec.) Cat. D (sec.) Cat. diesel (sec.) Carbon monoxide (CO) 16– (>465)– 70- 16–116
Hydrocarbons (HC) 34– 270– 40–100 2–
Oxides of nitrogen (NOx) 30–100 4–425 (>120)– 31–
Carbon dioxide (Fc/CO2) 18– 8– 20– 4–
Particulates (PM) – – – 29–
With standstill periods shorter than the lower interval bound (t1), idling gives the
least emission during standstill and the subsequent driving cycle.
In some cases there is both a lower and an upper (t2) bound. Since idling will at
all times give more emission than engine turn-off, provided that the time is long enough, there is always a third bound if it has been possible to demonstrate a bound t2.
Management of the engine during standstill can be divided into two or four time intervals. Generally speaking, with standstill in the first of these (t<t1), idling
is selected, and with standstill in the last one, turn-off during the entire standstill period. With four intervals, turn-off is selected if standstill is in the second time interval, and idling if it is in the third one.
What can also occur is that a combination of idling and turn-off gives less emission than one of the options on their own.
Standstill limits per light lorry categories have been estimated by adopting the same limits per category as for cars. For heavy vehicles, limits have been estimated by adopting the same limits as for light diesel vehicles.
Through weighting with exhaust emission in urban areas per vehicle category and per vehicle type, average limits (t1) per compound have been calculated for
the vehicle fleet: • CO, 190 seconds • HC, 130 seconds • NOx, 33 seconds
• Fc/CO2, 12 seconds
• PM, 28 seconds.
For the estimation of general limits for all compounds at the same time, per vehicle type or overall, different macroeconomic valuations per compound have been utilised. Different objectives give different standstill period limits for the vehicle fleet as a whole:
• private economy, 12 seconds • energy, 12 seconds
• air quality in towns, 36 seconds
• overall macroeconomy in urban areas, 23 seconds.
For the different groups of car categories, the times (t1) increase in the following
order:
diesel; petrol without catalytic converter, followed by petrol cars with catalytic converter.
The best chances of estimating representative values of t1, i.e. agreement
between our own study and the literature, would occur in the following cases (bold type: significance in our own study):
• Cat. A: CO; HC; Fc/CO2
• Cat B: NOX; Fc/CO2
• Cat. diesel: CO; HC; NOx; PM; Fc/CO2.
Larger differences between the literature and our own study have been considered to exist in the following cases:
• lower bound: Cat. B: CO
• upper bound: Cat B: CO and NOx.
There are no data in either our own study or the literature in the following cases: • Cat. A: NOx; CO2; PM
• Cat. B: PM
• Cat. D: all compounds.
PM for petrol vehicles is a special case inasmuch as there are no values of t1 or t2
anywhere.
One common time limit for idling in Swedish municipalities is 1 minute. Selection of idling for an initial standstill period of 1 minute, compared with turning off the engine, gives a 3% increase in fuel consumption during a ca 6 km long urban driving cycle (FTP:Ys).
If vehicle engines are to be managed optimally during a standstill period to minimise exhaust emission, it may be inappropriate to prohibit idling in excess of a certain period. What should be done instead is to provide information on when engine turn-off or idling should be selected. If the use of this information is judged to be complicated, one option might be in-vehicle computer support. The literature gives examples of studies with such focus and with coupling to traffic control. With an in-vehicle system it is also possible to take account of the emission properties of individual vehicles. One option in the short term should be information concerning an environmental driving style.
The term crawling speed conditions denotes here mean speeds below 30 km/h. From measurements in another context, using a ”floating car” on Essingeleden in Sockholm, four driving patterns with mean speeds of 4.3, 9.3, 20.9 and 28.3 km/h have been selected. These driving patterns represent a road environment of motorway standard. Exhaust measurements have been made on a
performing this driving pattern with the smallest mean speed three times in succession.
Measurements for the four driving patterns yield the following percentage changes in emission when speed drops from 25 to 10 km/h:
Compound Cat. A (%) Cat. B (%) Cat. D (%) Cat. diesel (%) CO 101 168 327 517 HC 74 215 626 5 NOx 3 55 -51 171 PM* (-54) (0) (-24) -2 (-43) Fc/CO2 114 104 98 94
*( ): measured data for both the measured driving patterns and for standardised driving cycles; italics: not significant
As regards Fc/CO2, this study is in good agreement with other Swedish studies,
both on the road and in the laboratory, while agreement is not as good with the corresponding relationships in the COPERT III model used in the EU.
Both according to our own study and the references, emissions, with the exception of NOx and PM, generally increase when speed decreases from
25 km/h. The measured data for petrol cars with catalytic converters indicate that there has been technical development towards larger relative changes with speed in both CO and HC, and towards a decrease, rather than an increase, in NOx.
Extended crawling speed, i.e. repetition three times of the driving pattern at
4.3 km/h, has been shown to increase emission in two cases: HC for Cat. B and CO for Cat. diesel. This demonstrates that it is necessary to correct for trip length.
Owing to shortcomings in an initial round of measurements, the whole
measurement programme was repeated. New shortcomings occurred in the
second round.
For both round 1 and round 2, there are shortcomings concerning the representativeness of the selected adjustments of the chassis dynamometer. Because of a low correlation, 0.45, between the adjustments for inertial masses and weights, there is a risk that the relationships between emission and crawling speed, in particular, are not representative of the cars in real traffic.
The chassis dynamometer adjustments for simulation of rolling resistance coefficients exhibit greater variations than what is found in the rolling resistance data for 60 tyre models. There is therefore a risk that the adjustments for the description of both acceleration forces and rolling resistance may have detracted from representativeness.
Overarching needs for further research:
• examination of routines for setting up the chassis dynamometer and the way the parametric values selected shall be described and stored
• provision of further data:
- especially when there are large differences between different studies, and, generally, when there are few data
- for different engine temperatures
Need for further research on engine management during standstill periods:
• additional measured data:
- with standstill times both shorter and longer than 0.5–2 minutes and of sufficient duration to enable determination of all interval limits between idling and engine turn-off
- concerning the significance of combining idling and engine turn-off during standstill, and the length of idling period both before and after the engine is turned off.
• analysis of differences in interval limits between individual vehicles • Collection of statistics relating to standstill periods, followed by estimation
of the total gains in effectiveness due to optimal choices between engine turn-off and idling during the standstill.
Need for further research concerning crawling speed conditions:
• provision of further data regarding driving patterns for a greater number of road and traffic environments, and for a greater number of vehicle types • provision of further data for the description of the dependence of emission
on the length of the driving cycle.
There is a great need for further data concerning both engine management during standstill and stop & go driving conditions. Such investigations of wider scope could be carried out more cost effectively by combining measurements and the results from simulation models. For stop & go driving conditions, for fuel consumption in general and for all compounds for diesel engines, it should be possible to use simpler quasi-stationary models. By using such a combination of measurements and simulation, it should be possible to obtain data more cost effectively and to achieve a form of double control.
1 Bakgrund
Tillgången på underlag för beslut om begränsning av tomgångskörning är knapphändig. Det finns också anledning att tro att betydelsen av motorhantering under stopptid kan vara olika för olika drivsystem och tekniknivåer m.m. vilket med tiden ger ett utökat behov av beslutsunderlag.
I Linköping fanns ett förbud mot tomgångskörning 1984 (Nilzén, 2002). Förbudet begränsade tomgångskörning till 3 minuter med undantag för centrum inom vilket gränsen var 1 minut. Bestämmelserna skärptes 1990 till en generell gräns om 1 minut enligt följande text:
Tomgångskörning regleras i "Lokala föreskrifter enligt miljöbalken för Linköpings kommun, antagna av kommunfullmäktige den 25 april 2000, § 75" under paragraf 5 som har följande lydelse:
§ 5 Luftvård
Förbränningsmotor i stillastående motordrivet fordon får hållas igång utomhus i högst en minut.
Detta gäller inte
1. om fordonet står stilla på grund av trafikförhållanden, t ex trafikkö 2. om motorn hålles igång i den mån det behövs för fordonets
ändamålsenliga brukande eller för att driva annan anordning än sådan som avser uppvärmning
Ansvarsbestämmelser finns i paragraf 7 samma föreskrift.
§ 7 Ansvar
Straffbestämmelser för dessa föreskrifter finns i 29 kap miljöbalken. Den som med uppsåt eller av oaktsamhet bryter mot de föreskrifter som meddelas under 2-5 § kan dömas till böter eller fängelse i högst två år.
Trafikutskottet föreslog 2001 att Riksdagen skulle avslå en motion om tomgångskörning. I en senare motion till Riksdagen 1 föreslogs att bestämmelser om tomgångskörning skulle läggas på statlig nivå för att bilförare inte skulle behöva hålla sig informerade om olika lokala bestämmelser.
Frågeställningen om motorhantering under stopptid har både koppling till parkering, kallstarteffekter, och till längre stopptider i korsningar. Längre tomgångskörning medför att katalysatortemperaturen sjunker med risk för att verkningsgraden i avgasreningen försämras (Hammarström och Edwards, 2000). Konsekvenserna av detta gäller inte enbart för tomgångskörning utan också för utsläppen under den efterföljande accelerationen. Att risken för reducerad verkningsgrad ökar i situationer med mycket trafik kan vara en olycklig kombination med avseende på luftkvalitet. För att beskriva dessa effekter kan i vissa fall samma underlag användas som för begränsning av tomgångskörning. Genom mera optimala val av gränser för tomgångskörning kan sannolikt avgasutsläppen reduceras och luftkvaliteten förbättras. Detta kan få speciell betydelse då det gäller att klara de nya miljökvalitetsnormerna för luftkvalitet i gaturum. Genom bättre underbyggda begränsningar av tomgångskörning skulle även en följd kunna bli bättre acceptans och därmed bättre efterlevnad av ett förbud.
Ett underlag för begränsning av tomgångskörning kan också vara användbart avseende trafikplanering och inte minst ifråga om miljöbaserad trafikledning i realtid.
Liknande katalysatoreffekter som under tomgångskörning med efterföljande acceleration skulle kunna följa av krypkörning i tätortstrafik. Behovet av underlag som beskriver avgasutsläpp under krypkörning är speciellt stort för tunnlar. Ventilationsanläggningar i tunnlar dimensioneras baserat på samband mellan utsläpp och medelhastighet. Dessa samband har hittills inte på ett tillfredställande sätt kunnat baseras på mätdata i hastighetsintervallet under 30 km/h.
2 Målsättning
Syftet med den genomförda studien har varit att kunna leverera ett förbättrat planeringsunderlag både för motorhantering under stopptid och för väg- och trafikplanering i övrigt enligt följande:
• att för olika stopptider genomföra mätningar som beskriver skillnader i utsläpp under stopptid och efterföljande körcykel mellan att låta en motor gå på tomgång och med avstängning
• att genomföra mätningar som kan användas för beskrivning av utsläpp som funktion av medelhastighet för vad som kan rubriceras som krypkörning.
Beträffande krypkörning är det primärt behovet av underlag för dimensionering av fläktsystem i tunnlar som skall tillgodoses.
3 Existerande
kunskap
En kunskapssammanställning har utförts inom projektet. Denna har indelats i motorhantering under stopptid och i krypkörning.
3.1 Motorhantering under stopptid
Den information som söks avser beskrivning av utsläpp som funktion av olika stopptider med tomgångskörning alternativt med avstängning. Betydelsen av avstängningstid för utsläppen motsvarar delvis den typ av underlag som används för kvantifiering av kallstarteffekter, varför kallstartstudier också har ett generellt intresse för tomgångsförbud även om kallstarteffekter normalt baseras på underlag med väsentligt längre stopptider. Den tillgängliga informationen om betydelsen av tomgång och avstängning för avgasutsläppen kan indelas i sådan avgränsad till enbart stopptid, sådan omfattande effekter både under stopptid och efterföljande körförlopp och sådana avgränsade till efterföljande körförlopp.
Ett försök har utförts med tre varianter av personbilar: dieselfordon; fordon med två typer av ottomotorer, förgasare respektive insprutning (Voss, 1990). Ingen av bilarna var utrustad med katalysator. Underlag för beskrivning av bilparken, underlag för urval, har utgjorts av statistik över producerade bilmodeller under 1986. De utvalda bilarna, 17 stycken, har haft första inregistrering mellan 1980 och 1987.2
Körcykel använd för mätningar: • ECE-körcykel har utgjort bas
• testade stopptider, tomgång alternativt avstängning: 21; 50; 80; 117 och 124 sek
• då stopptiden ökar har körtiden reducerats i motsvarande utsträckning. Inför mätningarna gjordes på Ottomotorerna inställningar av viktiga parametrar enligt biltillverkarens anvisningar. Bilarna varmkördes före mätning.
I tabell 3.1 redovisas per motortyp kortaste genomsnittliga avstängningstid som ger avgasreduktion, jämfört med att välja tomgång. Parallellt redovisas också inom parentes min- och maxvärde för lönsam avstängning inom gruppen av testade bilar per motortyp.
Tabell 3.1 Genomsnittliga kritiska tidsvärden (sek) för kortaste stopptid med
mindre utsläpp för motoravstängning än för tomgång (min–max). (Voss, 1990.)
Motor HC CO NOx PM Bränsle Diesel (2 bilar) –* 9,0 (0,0–19,0) 13,0 (11,0–15,0) 27,5 (15,0–40,0) 4,0 (3,0–5,0) Otto, förgasare (9 bilar) 25 (0,0–77,0) 6,0 (0,0–23,0) –* –* 17,0 (0,0–41,0) Otto, insprutning (6 bilar) 9,0 (0,0–43,0) 0,0 (0,0–0,0) –* –* 16,0 (9,0–27,0) *Ingen mätning
Tiderna i tabell 3.1 motsvarar de kortaste tider motoravstängning kan ske för att avstängningen skall ge lägre utsläpp och förbrukning än tomgångsalternativet. Man kan ur tabellen bl.a. observera den stora spridningen mellan olika bilar per grupp.
Betydelsen av motoravstängning jämfört med tomgång och efterföljande körförlopp påtalades för VTI av SAAB i mitten av 90-talet. SAAB lät genomföra en mätserie för att beskriva effekten (Nyman, 1995). Dataunderlaget grundas på mätningar med två katalysatorbilar vid två temperaturer, -7ºC och 20ºC. Mätningar har utförts för följande stopptider: 1 min; 5 min; 10 min och 15 min. För varje stopptid har två mätningar utförts, en med tomgång och en med avstängning.
Det efterföljande körförloppet har varit enkelt och kort: • först acceleration till 50 km/h på 10 sekunder (1,4 m/s2)
• därefter konstant hastighet, 50 km/h, under 20 sekunder. Resultaten av dessa mätningar redovisas i tabell 3.2, 3.3 och 3.4.
Tabell 3.2 Avgasutsläpp och bränsleförbrukning som följd av motorhantering,
tomgång (på) resp. avstängning (av). Turbomotor med kat. och automatisk växellåda. Lufttemperatur: 20 grader. (Nyman, 1995.)
Stopptid Motorstatus under stopptid HC (g) CO (g) NOx (g) Bränsle (Index) Motor på 0,005 0,040 0,270 1,690 1 min Motor av 0,005 0,050 0,020 1,147 Motor på 0,026 0,000 0,030 3,154 5 min Motor av 0,055 0,420 0,010 1,385 Motor på 0,042 0,020 0,080 5,289 10 min Motor av 0,024 0,040 0,060 1,296 Motor på 0,087 0,000 0,210 7,080 15 min Motor av 0,052 0,060 1,150 1,290
Tabell 3.3 Avgasutsläpp och bränsleförbrukning som följd av motorhantering,
tomgång (på) resp. avstängning (av). Turbomotor med kat. och automatisk växellåda, -7 grader. (Nyman, 1995.)
Stopptid Motorstatus under stopptid HC (g) CO (g) NOx (g) Bränsle (Index) Motor på 0,009 0,020 0,040 1,550 1 min Motor av 0,005 0,050 0,010 1,214 Motor på 0,012 0,000 0,110 3,174 5 min Motor av 0,028 0,180 0,010 1,230 Motor på 0,041 0,000 0,040 5,198 10 min Motor av 0,037 0,060 0,280 1,178 Motor på 0,088 0,020 0,090 7,182 15 min Motor av 0,091 0,260 0,810 1,440
Tabell 3.4 Avgasutsläpp och bränsleförbrukning som följd av motorhantering,
tomgång (på) resp. avstängning (av). Sugmotor med kat. och manuell växellåda, 20 grader. (Nyman, 1995.) Stopptid Motorstatus under stopptid HC (g) CO (g) NOx (g) Bränsle (Index) Motor på 0,027 0,130 0,220 0,930 1 min Motor av 0,058 0,620 0,460 0,803 Motor på 0,086 0,580 0,130 2,706 5 min Motor av 0,068 0,370 0,390 1,093 Motor på 0,219 0,870 0,290 4,495 10 min Motor av 0,165 1,410 0,330 1,097 Motor på 0,226 0,690 0,250 5,986 15 min Motor av 0,263 1,290 0,570 1,091
Om utsläpp med tomgång > utsläpp med avstängning skall avstängning ske. Denna situation kan antingen beskrivas med en differens eller med en kvot. För att avstängning skall vara lönsam skall kvoten (tomgång/avstängning) >1 alternativt differensen (tomgång-avstängning)>0. I tabell 3.5 och 3.6 redovisas beräknade kvoter baserade på tabell 3.2–3.4.
Tabell 3.5 Kvoten mellan utsläpp med tomgång och med avstängning. Medel av
sugmotor med kat. och manuell växellåda och turbomotor med kat. och automatisk växellåda, 20 grader. (Nyman, 1995.)
Alt. 1* Alt. 2* Stopptid HC CO NOx Bf HC CO NOx Bf 1 min 0,733 0,505 6,989 1,316 0,508 0,254 1,021 1,344 5 min 0,869 0,784 1,667 2,377 0,911 0,734 0,400 2,365 10 min 1,539 0,559 1,106 4,089 1,381 0,614 0,949 4,089 15 min 1,266 0,267 0,311 5,488 0,994 0,511 0,267 5,488 *Alt. 1: medelvärde av två kvoter. Alt. 2: kvoten av två summor.
Enligt tabell 3.5 gäller generellt: • att tomgång ger minst CO
• att avstängning ger minst Bf/CO2.
Tabell 3.6 Kvoten mellan utsläpp med tomgång och med avstängning.
Avgasutsläpp och bränsleförbrukning som följd av motorhantering, tomgång resp. avstängning. Turbomotor med kat. och automatisk växellåda, -7 grader. (Nyman, 1995.) Stopptid HC CO NOx Bf 1 min 1,800 0,400 4,000 1,277 5 min 0,429 0,000 11,000 2,580 10 min 1,108 0,000 0,143 4,413 15 min 0,967 0,077 0,111 4,988
Enligt tabell 3.6 medför lägre lufttemperatur ingen tydlig förändring jämfört med 20º C.
Utsläpp med tomgång alternativt avstängning är av intresse för bedömning av om och när motoravstängning skall ske framför trafiksignaler (FISITA, 2000). Mätningar har utförts med två bilar, en bensindriven katalysatorbil och en dieselbil, under en stopptid av 180 sekunder och med avstängningstider i intervallet 4–120 sekunder. Detta innebär exempelvis att om avstängningstiden valts till 120 sekunder har tomgångstiden blivit 60 sekunder. I tabell 3.7 redovisas när avstängning är lönsam.
Tabell 3.7 Avstängningstider (sek) med lägre utsläpp (=ja) än med
tomgångskörning. Stopptid 180 sekunder utan efterföljande körcykel. (FISITA, 2000.)
Ämne 4 6 8 10 15 30 45 60 120
Bensindrift och katalysator CO HC ja NOx ja ja ja ja ja ja ja ja ja CO2 ja ja ja ja ja ja ja ja ja Dieseldrift CO ja ja ja ja HC ja ja ja ja ja ja ja ja ja NOx ja ja CO2 ja ja ja ja ja ja ja ja ja
Avgasmätningar har utförts med fordonsburen utrustning både med avgränsning till stopptid och för stopptid med efterföljande körcykel (BASt, 1997). Mätfordonet har utgjorts av en bensindriven katalysatorbil. I studien tas bl.a. upp betydelsen av förhöjd tomgång efter start. För mätbilen låg den förhöjda tomgången på 1 100 rpm medan normal tomgång låg på 850 rpm.
Uppskattning av lönsamma avstängningstider baseras bl.a. på att man isolerat tomgångsutsläpp och merutsläpp vid återstart, se tabell 3.8.
Tabell 3.8 Redovisade värden med avgränsning till stopptid. Bensindrift och
katalysator. (BASt, 1997.)
Bränsle HC NOx CO
Tomgång3 0,35 ml/sek 7,4 x 10-3g/min 6,9 x 10-3g/min ≈0
Merförbrukning av start 3,39 ml 35,5 x 10-3 g 0,53 x 10-3 g Ej redovisad Längd av startpeak 34 sek* 33,5 sek 3,5 sek 10 sek
*Förhöjt tomgångsvarvtal.
I tabell 3.9 redovisas resultat avgränsade till utsläpp under stopptid.
3 Kan jämföras med:
Tabell 3.9 Tidsintervall med lönsam motoravstängning. Avgränsning till
utsläpp under stopptid. Bensindriven kat-bil med förhöjd tomgång efter varmstart. Bensindrift och katalysator. (BASt, 1997.)
Avstängning lönar sig* Stopptid (sek.)
Bränsle NOx HC CO
<5 nej nej nej nej
5–10 nej ja nej nej
10–300 ja ja nej nej
>300 ja ja ja ja
* Fullt uppvärmd motor.
I studien ingick också ett försök med körning i verklig trafik och med ett styrt stopp till 20 sekunder. Under detta stopp var föraren instruerad att antingen låta motorn gå på tomgång eller att stänga av.
Den andra fasen av studien utfördes enligt följande:
• Tre typer av körbeteende under retardationen inför ”signalstoppet”: frikopplad motor i tomgång; motorbroms på en växel och motorbroms med nedväxling
• Två typer av stopp: motorn i tomgång resp. avstängd motor • Mätslinga: vanlig trafik; 2,5 km
• Fullt uppvärmd motor
• Simulering av signalstopp, 20 sekunder, på parkeringsplats i anslutning till slingan
• En förare • Max 70 km/h
• Registrerade variabler: trottelvinkel; motorvarvtal; bränsleförbrukning; CO; HC och NOx
• Registrering av bränsle och avgaser under stopptiden och ytterligare 60 sekunder.
Resultaten från körning i trafik redovisas i tabell 3.10.
Tabell 3.10 Resultat med fordonsburen mätutrustning i verklig trafik.
Bensindrift och katalysator. (BASt, 1997.) Stopptid,
alternativ
CO (g/test) HC (g/test) NOx (g/test) CO2 (g/test) Bränsle
(l/test) Retardation med frikoppling
Avstängning 16,91 1,076 0,191 282,1 0,144
Tomgång 8,14 0,178 0,292 335,5 0,161
Retardation med motorbroms (Schiebebetrieb)
Avstängning 18,79 0,905 0,233 287,6 0,148
Tomgång 8,85 0,166 0,277 343,8 0,161
Retardation med motorbroms och nerväxling (Zuryckschalten)
Avstängning 18,64 0,982 0,269 294,0 0,148
Genomsnittliga förändringar med avstängning, jämfört med tomgång, under det 20 sek långa stoppet:
• CO, +113 % • HC, +426 % • NOx, -20 %
• CO2, -15 %
• Bf, -8 %.
Avslutningsvis ges kommentaren att erhållna resultat skulle kunna vara någorlunda representativa för andra katalysatorbilar men inga andra. En avgränsning bör då också göras till bilar med förhöjd tomgång efter varmstart.
Tillgängligt mätunderlag för beskrivning av kallstarteffekter är normalt avgränsat till motoravstängning och som referensnivå används mätdata utan avstängning och utan tomgång. Merparten avser motoravstängningar på minst 12 h dvs. en kunskapslucka har funnits för avstängningar kortare än 12 h. Med syfte att fylla denna kunskapslucka genomfördes mätningar för motoravstängningar enligt följande: 10 min; 20 min; 30 min; 60 min och 12 h (Hammarström, 2001a). Mätningar utfördes med bensindrivna bilar både utan och med katalysator. Per bil utfördes totalt 27 mätningar. Mätningarna grupperades genomgående i delserier om minst tre där den första körcykeln föregicks av motoravstängning och de två efterföljande av föregående körcykel utan avstängning emellan. Som körcykel användes genomgående den som i FTP betecknas Yct alt. Yht (41 km/h). Själva körcykeln har i referensen betecknats Ycht. I tabell 3.11 redovisas kvoten mellan utsläpp för den 3:e körcykeln per serie och den första.
Tabell 3.11 Kvoten mellan utsläpp utan (FTP:Yht) och med föregående
motoravstängning (FTP:Yct). Utan avstängning exkl. tomgångsutsläpp. Körcykel: Yct (1:a, med) och Yht (3:e, utan). (Hammarström, 2001a.)
Avstängning CO HC NOx CO2 NMHC PM Bf
Bensindrift utan kat.
10 min 1,102 0,953 0,862 0,967 0,947 0,737 0,982
20 min 1,156 0,975 0,858 0,967 0,967 1,074 0,991
30 min 1,166 0,956 0,834 0,943 0,946 1,649 0,968
Bensindrift med kat.
10 min 0,836 0,498 0,793 0,970 0,368 1,019 0,970
20 min 0,673 0,173 0,395 0,964 0,108 1,984 0,962
30 min 0,281 0,066 0,168 0,966 0,038 1,455 0,960
En kvot >1 motsvarar att utsläpp efter avstängning blir mindre än utan avstängning.
Referensen innehåller uppgifter om vilka körsträckor som krävs för att uppnå full uppvärmning. Krav på körsträckelängd efter varje återstart, samband med soaktid, enl. VTI:
• Bilar utan kat., minst 3 körningar (Ycht) • Bilar med kat., minst en körning (Ycht).
körcykel som i FTP betecknas Ys (26 km/h). I tabell 3.12 redovisas, för lufttemperatur 20ºC och -7ºC, kvoten mellan utsläpp utan avstängning, tomgångstid=0 min, och utsläpp för olika avstängningstider
Tabell 3.12 Kvoten mellan utsläpp utan avstängning, tomgång=0 min, och med
avstängning (soak). Körcykel Ys i FTP.* (Almén, 1996.) Soaktid (min) Luft- temp.(ºC) 5 10 20 30 45 60 90 120 180 300 CO 20 0,741 0,719 0,963 0,555 0,278 0,230 0,191 0,213 0,146 0,100 -7 1,048 0,787 0,498 0,423 0,299 0,264 0,163 0,189 0,135 0,040 HC 20 0,764 0,853 0,842 0,638 0,365 0,320 0,322 0,304 0,206 0,136 -7 1,045 0,735 0,602 0,442 0,306 0,243 0,154 0,179 0,116 0,180 NOx 20 1,140 0,882 0,558 0,405 0,257 0,210 0,206 0,252 0,217 0,217 -7 1,071 0,781 0,362 0,311 0,282 0,243 0,293 0,346 0,314 0,197 CO2 20 1,012 1,008 1,012 1,004 0,996 0,992 0,967 0,946 0,963 0,916 -7 1,000 0,972 0,982 0,972 0,993 0,955 0,914 0,899 0,890 0,865 *SAAB900i åm1989 5-växlad. Värden>1, avstängning lönsam per ämne, markerade med fetstil.
I tabell 3.12 bör man beakta att ”tomgångsvärdet” i täljaren genomgående motsvarar en tomgångstid av noll minuter. En kvot inklusive tomgångsutsläpp i täljaren, vad som söks, kan förväntas vara större än tabellens värden. Lägre lufttemperatur ger enligt tabell 3.12 förändringar i olika riktningar för olika ämnen. Att kvoten minskar med sjunkande temperatur uttrycker en förändring i riktning mot att det blir mera gynnsamt att välja tomgång. För soaktid 5 minuter ökar kvoten för CO och HC medan den minskar för NOx och CO2. För CO och
HC vid soaktid 5 min. ger tomgång lägst utsläpp vid 20ºC medan avstängning ger lägst utsläpp vid -7ºC. För NOx minskar kvoten upp till 30 min. då
lufttempera-turen sjunker. CO2 ger den mest entydiga bilden, kvoten minskar för alla
studerade stopptider då temperaturen sjunker.
En viktig fråga skulle kunna vara i vilken utsträckning som längre tomgångstider ger reducerad katalysatorfunktion och därmed förhöjda utsläpp både under tomgång och under efterföljande körförlopp. Jämförande temperaturmätningar i katalysatorn har utförts med en bensindriven bil (Hammarström och Edwards, 2000). Enligt dessa mätningar var avsvalningen per tidsenhet under tomgång 1/3 av vad som uppmättes för avstängd motor.
Representativiteten för körcykler ingående i standardiserade prov har kontrollerats mot loggade körförlopp med bilar stationerade i Västerås (Färnlund och Engström, 2001). De kontrollerade körcyklerna är: FTP75; A9; EDC och US06. FTP har bäst överensstämmelse med Västeråsdata.
3.2 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.
