Funktionssamband för temperaturutveckling i bilmotorer

VTI meddelande 896 • 2000

Funktionssamband för

temperaturutveckling i bilmotorer

VTI meddelande 896 · 2000

Funktionssamband för

tempe-raturutveckling i bilmotorer

Utgivare: Publikation: VTI meddelande 896 Utgivningsår: 2000 Projektnummer: 50193 581 95 Linköping Projektnamn:

Energianvändning och luftföroreningar

Författare: Uppdragsgivare:

Ulf Hammarström och Henrik Edwards Kommunikationsforskningsberedningen (KFB)

Titel:

Funktionssamband för temperaturutveckling i bilmotorer

Referat

I en av VTI utvecklad beräkningsmodell för beskrivning av kallstarteffekter från bilar, COLDSTART, ingår beskrivning av temperaturutveckling i bensindrivna motorer. Mot denna bak-grund har funktioner utvecklats för beskrivning av motortemperatur under körning, under parkering och under uppvärmning med elektrisk motorvärmare.

Fem bensindrivna bilar, varav två med katalysator, har utrustats med temperaturgivare i kyl-vattnet, i oljan och i katalysatorn. En 9 km lång mätslinga, tätortsmiljö, har innehållit hastighetsbe-gränsningar både till 50 och 70 km/h. Parallellt med temperaturmätning har i vissa fall även av-gaser registrerats.

För de studerade delarna av motorn gäller följande:

• att det under körning tar minst 0,3 h innan samtliga delar är fullt uppvärmda

• att det för avstängd motor tar minst 1,3 h innan temperaturen i samtliga delar halverats

• att det tar minst 0,6 h för en motorvärmare att höja kylvattentemperaturen 50% av den maximala höjningen.

Publisher: Publication: VTI meddelande 896 Published: 2000 Project code: 50193

SE-581 95 Linköping Sweden Project:

Energy use and air pollutions

Author: Sponsor:

Ulf Hammarström and Henrik Edwards Swedish Transport and Communications Research Board (KFB)

Title:

Functional relationships for temperature change in car engines.

Abstract

A calculation model for describing cold start effects from cars, COLDSTART, which has been developed by VTI, includes a description of the temperature development in petrol engines. Against this background, functions have been developed for the description of engine temperature while driving, while parking and while the engine is being heated up with an electric engine heater.

Five petrol cars, two with catalytic converters, were fitted with temperature sensors in the coolant, in the oil and in the converter. A 9 km long measurement loop, in an urban environment, contained speed limits of both 50 and 70 km/h. Parallel with temperature measurements, exhaust emissions were also registered in some cases.

The following have been found for the studied parts of the engine:

• that during a run, it takes at least 0.3 h for all parts to be fully warmed up

• that in a turned-off engine, it takes at least 1.3 h for the temperature in all parts to be halved

• that it takes at least 0.6 h for an engine heater to raise the coolant temperature to 50% of the maximum increase.

Förord

Den här redovisade studien har genomförts på uppdrag av Kommunikationsforsk-ningsberedningen (KFB) inom ett tema benämnt ”Energianvändning och luft-föroreningar”. Kontaktperson på KFB var först Christine Wallgren och därefter Claes Unge.

Genomförandet av projektet har hos Statens väg- och transportforsknings-institut (VTI) främst engagerat:

• Henrik Edwards, funktionsansatser och analys

• Siv-Britt Franke, redigering och utskrift.

• Ulf Hammarström, projektledning, funktionsansatser och dokumentation

• Mats Wiklund, statistisk rådgivning

• Janet Yakoub, mätningar och databearbetning

• Roland Östergren, utveckling av mätutrustning.

Ett varmt tack riktas också till Uno Nyman, SAAB AUTOMOBILE AB, som både bidragit med viktiga mätdata och som lektör granskat manuskriptet.

Linköping i juni 2000

Ulf Hammarström Henrik Edwards Projektledare och författare Författare

Innehållsförteckning

Sammanfattning 7 Summary 11 1 Bakgrund 15 2 Målsättning 16 3 Problembeskrivning 17 4 Metod 19 4.1 Inledning 19 4.2 Mätutrustning 19 4.3 Mätbilar 21

4.4 Mätsträckor och uppställningsplatser 21

4.5 Mätinstruktion 23

4.6 Mätdata 23

4.7 Funktionsansatser 30

4.8 Statistisk analys 33

5 Resultat 34

5.1 Avgashalter och motortemperatur 34

5.2 Tomgång och temperaturutveckling 37

5.3 Stoppintervall och temperaturutveckling 38

5.4 Funktionsbeskrivning av temperaturutveckling i en motor

efter start 39

5.5 Funktionsbeskrivning av temperaturutveckling i en avstängd

motor utan inkopplad motorvärmare 46

5.6 Funktionsbeskrivning av temperaturutveckling i en avstängd

motor med inkopplad motorvärmare 53

6 Diskussion 57

7 Referenslista 60

Bilaga 1: Mätdata

Funktionssamband för temperaturutveckling i bilmotorer av Ulf Hammarström och Henrik Edwards

Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI) 581 95 Linköping

Sammanfattning

Mätningar av motortemperatur i fem bensindrivna bilar, varav två med katalysator, har visat:

• att det under körning tar minst 20 minuter innan kylvattnet och oljan är fullt uppvärmda

• att det för avstängd motor tar minst 80 minuter innan temperaturen i kylvattnet och oljan halverats

• att det tar minst 35 minuter för en motorvärmare att höja kylvatten-temperaturen 50% av den maximala höjningen

• att användning av motorvärmare ökar katalysatorns uppvärmningstid med 25%.

De temperaturfunktioner som baserats på mätningarna kan användas för uppskattning av kallstartutsläpp.

Avgasutsläpp och drivmedelsförbrukning i förbränningsmotorer varierar med motortemperatur. Delvis som en pilotstudie har motortemperaturer registrerats under körning och för avstängda motorer under olika parkeringsförhållanden. Det senare alternativet omfattar både med och utan inkopplad motorvärmare. I vissa fall har utöver temperaturer även avgaser, bränsle och körförlopp registrerats.

Totalt har fem bensindrivna bilar ingått i mätningarna. Två av mätbilarna har varit av äldre årsmodeller utan katalysator. Två av de tre katalysatorbilarna har varit utrustade med elektriska motorvärmare.

Merparten av körningarna har utförts på en 9 km lång mätslinga i Linköping med hastighetsbegränsningar på 50 respektive 70 km/h. En körning på motorväg ingår också i underlaget.

Funktioner för temperaturutveckling har kalibrerats mot mätdata indelade efter:

• olika faser: uppvärmning under körning; avsvalning respektive uppvärmning med motorvärmare under parkering

• olika komponenter i drivsystemet: kylvatten; olja och katalysator

• olika bilmodeller.

Separata analyser har utförts för de kombinationer av förutsättningar som kan bil-das av de tre punkterna ovan.

Parallella mätningar av motortemperatur och avgaser (HC; CO) har utförts på två av mätbilarna, en med och en utan katalysator. För båda bilarna har utsläppen efter kallstart i huvudsak stabiliserats efter ca 0,1 h. Utvecklingen under kallfasen har för katalysatorbilen gått asymptotiskt mot nivån för en varm motor till skillnad från den äldre bilen med manuell choke.

Analysen av temperaturdata från körningarna på mätslingan har resulterat i funktioner enligt vilka endast körtid och starttemperatur förklarar temperaturnivån och som kan kommenteras enligt följande:

• att uppvärmning av kylvattnet till 95% av slutnivån under körning för en starttemperatur av 0°C tar 0,17–0,35 h och skiljer mellan olika bilmodeller på ett sådant sätt som skulle kunna tolkas som att större bilar har längre uppvärm-ningstider än mindre och nyare bilar kortare tider än äldre

• att uppvärmningen av oljan till 95% av slutnivån under körning för en start-temperatur av 0°C tar 0,29–0,39 h och skiljer mellan olika bilmodeller så att tiden är kortast för den minsta bilen

• att uppvärmning av katalysatorn under körning för en starttemperatur av 0°C tar 0,076 h till 350°C och 0,13 h till 95% av slutnivån

• att katalysatortemperaturen under motorvägskörning varit ca 170°C högre än under stadskörning

• att katalysatortemperaturen under tomgång sjunker med ca 20°C per minut i intervallet 350°C–400°C, vilket är ca en tredjedel av temperaturfallet för av-stängd motor

• att uppvärmning av oljan under körning går väsentligt snabbare, minst 18%, efter inkoppling av motorvärmare jämfört med utan

• att uppvärmning under körning av katalysatorn till 350°C efter användning av motorvärmare har tagit 25% längre tid än för utan användning.

Vad som kan ha mycket stor betydelse för avgasutsläpp under verkliga förhållan-den är temperatursänkningen i katalysatorn under tomgång. I hårt belastade kors-ningar är det inte ovanligt med stopptider vilka kan medföra att katalysatortempe-raturen skulle kunna sjunka under tändtempekatalysatortempe-raturen. Genom att den körcykel som de flesta av dagens svenska katalysatorbilar är certifierade för har en maximal tomgångstid, 40 sekunder, som inte är tillräckligt lång för ett temperaturfall under tändtemperaturen finns det risk för att många bilmodeller skulle kunna ha ett sådant problem. Problemet skulle då mera avse den efterföljande accelerationens utsläpp än utsläpp under tomgång.

Temperaturutvecklingen i en avstängd motor påverkas, utöver omgivnings-temperaturen, av vindförhållanden enligt erhållna resultat. En halvering av tempe-raturdifferensen mellan motor och omgivande luft har för vindstilla förhållanden uppskattats till följande tider:

• 1,3–1,9 h för kylvattnet

• 1,1–1,6 h för oljan

• 0,24–0,27 h för katalysatorn.

De angivna intervallen representerar den kortaste respektive den längsta tiden inom gruppen av mätbilar. En vindstyrka av 3 m/s har uppskattats reducera av-svalningstiden med minst 20%.

Samtliga delar av motorn har före avsvalningsförloppet uppnått minst 95% av temperaturen för en fullt uppvärmd motor på den aktuella mätslingan.

De motorvärmare som ingått i studien är elektriska och sådana att endast kylvattnet värms direkt. För långa inkopplingstider kan även oljetemperaturen öka

med ca en fjärdedel av kylvattnets temperaturhöjning. Enligt den uppskattade funktionen för kylvatten är det maximala temperaturlyftet oberoende både av omgivningsluftens temperatur och av vindförhållanden. Däremot är uppvärmningstiden vindberoende. Den uppskattade funktionen för kylvattnet kan kommenteras enligt följande för vindstilla förhållanden:

• att det maximala temperaturlyftet uppgår till ca 40°C

• att en uppvärmning med halva maxvärdet tar 0,64–0,67 h

• att en uppvärmning till 95 % av maxvärdet tar 2,8 h

• att uppvärmningstiden ökar med 36 % för en medelvind av 3 m/s jämfört med vindstilla.

.

Den statistiska analysen har påvisat en mycket god överensstämmelse mellan mätdata och de kalibrerade funktionerna.

Det största behovet av vidareutveckling av temperaturfunktionerna gäller följande:

• utveckling av katalysatortemperatur under olika körförhållanden

• generellt en utvidgning till flera bilmodeller och tekniknivåer

• temperaturutveckling från utgångslägen med olika temperatur på kylvatten och olja.

Det kan vara aktuellt att komplettera befintliga beräkningsmodeller för avgaser av mekanistisk typ med en rutin för temperaturbeskrivning primärt avseende katalysatorn, vilket också talar för nya mätserier.

Den största bristen i den här redovisade studien avser uppvärmning av kataly-satorn under körning där endast data för en bil ingår i underlaget.

Ett förslag om eventuella framtida mätningar inom detta område borde i större utsträckning innehålla parallella temperatur- och avgasmätningar.

Temperaturfunktionerna för kylvatten, avsvalningsförloppet och uppvärmning med motorvärmare, har implementerats i en beräkningsmodell för kallstart-effekter. Denna modell, COLDSTART, kan användas som ett led i beskrivning av vägtrafikens regionala och nationella avgasutsläpp.

Functional relationships for temperature change in car engines. by Ulf Hammarström and Henrik Edwards

Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI) SE-581 95 Linköping Sweden

Summary

Measurements of engine temperature in five petrol cars, two with catalytic converters, have shown that

• while driving, it takes at least 20 minutes for the coolant and oil to be fully warmed up

• in a turned-off engine, it takes at least 80 minutes for the temperature of the coolant and oil to be halved

• it takes at least 35 minutes for an engine heater to raise the coolant temperature to 50% of the maximum increase

• use of an engine heater increases by 25% the time it takes for the catalytic converter to warm up.

The temperature functions based on the measurements can be used in estimating cold start emissions.

Exhaust emissions and fuel consumption in internal combustion engines vary with engine temperature. As part of a pilot study, the temperatures of engines were registered during a run and also, for engines that had been turned off, under different parking conditions. The latter alternative comprises cars both with and without engine heaters. In some cases, exhaust emissions, fuel consumption and driving patterns were also registered in addition to temperatures.

A total of five petrol cars were used in the measurements. Two of the cars were of older models without a catalytic converter. Two of the three cars with converters were equipped with electric engine heaters.

Most of the runs were performed along a 9 km long measurement loop in Linköping, with speed limits of both 50 and 70 km/h. A run on a motorway is also included in the data.

Functions for temperature development were calibrated against measured data, broken down by

• different phases: warming up during a run; cooling and warming with an engine heater while the car was parked

• different components of the propulsion system: coolant; oil; catalytic con-verter

• different models.

Separate analyses have been made for the combinations that can be formed from the above conditions.

Parallel measurements of engine temperature and exhaust gases (HC; CO) have been made on two of the measurement cars, one with and one without a catalytic

converter. In both cars, emissions after a cold start were substantially stabilised after ca 0.1 h. For the car with a catalytic converter, development during the cold phase proceeded asymptotically towards the level of a hot engine, in contrast to the older car with a manual choke.

Analysis of temperature data from the runs along the measurement loop has resulted in functions, according to which the temperature level is explained by only the length of run and initial temperature. The following comments may be made regarding these functions:

• that heating of the coolant to 95% of the final level, during a run from an initial temperature of 0°C, takes 0.17-0.35 h, and varies between different car models in a way that may be interpreted to suggest that larger cars have longer warming-up times than smaller ones, and newer cars shorter times than older ones

• that heating of the oil to 95% of the final level, during a run from an initial temperature of 0°C, takes 0.29-0.39 h, and varies between different car models in such a way that the time for the smallest car is the shortest

• that the catalytic converter, during a run from an initial temperature of 0°C, takes 0.076 h to heat to 350°C and 0.13 h to heat to 95% of the final level

• that the temperature of the catalytic converter during a run on a motorway was ca 170°C higher than during an urban run

• that the temperature of the catalytic converter while the engine is idling drops by ca 20°C per minute in the 350°C-400°C range, which is ca one third of the temperature drop for a turned-off engine

• that the rate at which the oil heats up during a run is substantially greater, by at least 18%, when the engine heater had been switched on than when it had not been

• that, during a run, the catalytic converter took 25% longer to heat to 350°C when the engine heater had been switched on than when it had not been. What may have very great significance for exhaust emissions under real conditions is the temperature drop in the converter while the engine is idling. At very busy intersections, it is not unusual for stopping times to be so long that the temperature of the catalytic converter might drop below its operating temperature. Since the driving cycle for which most of today's Swedish cars with catalytic converters are certified has a maximum idling period of 40 seconds which is not sufficiently long for the temperature to drop below the operating temperature, there is a risk that such a problem may arise for many car models. The problem in such a case would relate more to the emissions during subsequent acceleration than to emissions during the idling period.

According to the results obtained, temperature development in a turned-off engine is affected not only by the ambient temperature but also by wind conditions. It has been estimated that the time taken for the temperature difference between the engine and the ambient air, in calm conditions, to be reduced by half is as follows:

• 1.1-1.6 h for the oil

• 0.24-0.27 h for the catalytic converter.

The ranges given above represent the shortest and longest times within the group of measurement cars. A wind speed of 3 m/s has been estimated to reduce the time required for cooling by at least 20%.

Prior to the cooling process, all parts of the engine had reached at least 95% of the temperature of a fully warmed-up engine on the measurement loop concerned.

The engine heaters comprised in the study are electric ones, of the type which warms only the coolant directly. Over long operating periods the oil temperature may also rise by ca one quarter of the temperature rise of the coolant. According to the estimated function for the coolant, the maximum temperature rise is independent of both the ambient air temperature and wind conditions. On the other hand, the warming-up period is wind dependent. For calm conditions, the following comments may be made regarding the estimated function for the coolant:

• the maximum temperature rise is ca 40°C

• the time taken for temperature to rise by half the maximum is 0.64-0.67 h

• the time taken for temperature to rise to 95% of the maximum is 2.8 h

• compared with calm conditions, the warming-up period increases by 36% for a mean wind speed of 3 m/s.

The statistical analysis has demonstrated very good agreement between measured data and the calibrated functions.

The areas where the temperature functions need most development are as follows:

• development of the catalytic converter temperature under different driving conditions

• general extension to more car models and standards of technology

• temperature development from different initial coolant and oil temperatures.

It may be necessary to complement the existing mechanistic type calculation models for exhaust emissions with a routine for temperature description, primarily with regard to the catalytic converter; this also requires new measurement series.

The greatest shortcoming in the study reported here relates to heating of the catalytic converter during a run, since data are available for only one car.

A proposal for any future measurements in this field ought to incorporate more extensive parallel measurements of temperatures and exhaust emissions.

The temperature functions for the coolant, the cooling process and heating with an engine heater have been implemented in a calculation model for cold start effects. This model, COLDSTART, can be used in describing regional and national exhaust emissions by road traffic.

1

Bakgrund

Avgasutsläpp från bensindrivna bilmotorer kan indelas i:

• kallfas

• varmfas

• avdunstning.

De två första punkterna avser vad som kommer ut genom avgasröret och den tredje utsläpp från andra delar av fordonet. Med varmfas avses en situation då temperaturerna i olika delar av framdrivningssystemet stabiliserats då ett och samma körförlopp upprepas. Kallfas är det förhållande, fr.o.m. motorstart som föregår varmfas.

I beräkningsmodeller för beskrivning av främst kallstartutsläpp och avdunst-ning ingår normalt temperaturdata som förklaringsvariabler. Även i mera avan-cerade mekanistiska beräkningsmodeller, främst avseende varmfas, kan tempera-turbeskrivning ingå. För att kunna beskriva avgasutsläpp och även bränsle-förbrukning finns därmed ett generellt behov av att kunna beskriva temperaturer i olika fordonskomponenter under olika förhållanden.

Beräkning av lokala eller regionala avgasutsläpp avser normalt att represen-tativa utsläpp söks för bilparken i det aktuella området. Vad som då kan behöva beaktas är bilparkens sammansättning, meteorologiska förhållanden, parkerings-förhållanden och fordonsanvändning m.m. Att sådana beräkningsmodeller kan behöva vara omfattande är COLDSTART (Hammarström och Edwards, 1999) ett uttryck för. I COLDSTART beskrivs s.k. kallstarttillägg som funktion av kylvat-tentemperatur vid motorstart. Denna beskrivning förutsätter tillgång till funktioner som beskriver temperaturutveckling i motorn som funktion av tid och andra rele-vanta variabler.

En av VTI genomförd litteraturgenomgång avseende beräkningsmodeller för beskrivning av temperaturutveckling i bilmotorer har visat på en stor bristsitua-tion, vilket den korta referenslistan i denna dokumentation är ett uttryck för.

2

Målsättning

Vad som söks är en beskrivning av temperaturutveckling i olika motorkompo-nenter:

• med avstängd motor och utan inkopplad motorvärmare

• med avstängd motor och med inkopplad motorvärmare

• med startad motor.

Med olika motorkomponenter avses: kylvatten, olja och katalysator.

Utöver denna primära inriktning söks även uppgifter om hur temperaturut-vecklingen är kopplad till olika bakgrundsvariabler; samband mellan avgasutsläpp och temperaturutveckling m.m.

Beskrivningen av temperaturutvecklingen skall uttryckas i form av funktioner, vilka skall kunna tillämpas i beräkningsmodeller som COLDSTART.

Studien kan sägas ha karaktär av en något ambitiösare pilotstudie, vilken kan utgöra underlag för fortsatta temperatur- och avgasmätningar liksom för till-hörande modellutveckling.

3

Problembeskrivning

Att via beräkningsmodeller beskriva temperaturutvecklingen i en bilmotor kräver i princip en beskrivning av temperaturutveckling under en lång kedja av parkeringar och körningar. Temperaturen är i varje ögonblick en funktion av förhistorien.

I föreliggande studie har funktionsanpassningar gjorts separat för olika ”länkar” i denna kedja och för varje länk är initialtemperaturen känd.

Motortemperatur är ett något oprecist begrepp. Som underlag för beskrivning av bränsleförbrukning och avgasutsläpp är temperaturer i hela drivsystemet inklu-sive avgassystemet av intresse. Det är naturligtvis stora temperaturskillnader mel-lan olika delar av drivsystemet och även inom en och samma ”komponent”, som exempelvis i motorblockets kylvatten.

Temperaturutvecklingen i motorns olika komponenter kan vara högst olika även för sådana som gränsar till varandra såsom olja och kylvatten. Man kan för en och samma vattentemperatur ha oljetemperaturer inom ett förhållandevis stort temperaturintervall.

Temperaturutvecklingen med tid i en komponent kan förväntas vara en funktion av bl.a. följande:

• motorstorlek

• typ av material i motorblock, cylindrar och kolvar

• tekniknivå

• motorrummets avskärmning från omgivande luft

• fram- eller bakhjulsdrift

• kylvattentermostatens inställning

• kylfläktens styrning.

• initiala temperaturer både i studerad komponent och andra komponenter i det tidsintervall som observeras

• omgivningsluftens temperatur

• vindförhållande

• körförlopp inklusive växelläge

• motorbelastning i övrigt

• användning av motorvärmare

• in- och utstrålning

Temperaturutvecklingen i katalysatorn kan tänkas vara beroende av ytterligare ett antal variabler:

• ålder/körsträcka

• avstånd mellan förbränningsrummet och katalystorn

• förhållande mellan luft och bränsle i gasblandningen till cylindrarna

• förekomst av turbo

• katalysatorns massa

• typ av material i katalysatorn

• programmering av styrutrustning till motorn.

Störst problem med att i denna studie uppnå generaliserbarhet torde gälla för temperaturutveckling i katalysatorn.

De temperaturfunktioner som söks har ansatts innehåller genomgående tid som förklaringsvariabel. Om exempelvis inverkan av omgivningsluftens temperatur på vattentemperaturen skall beskrivas under visst tidsintervall så finns en eftersläp-ning av effekten på exempelvis vattentemperaturen. Samma sak gäller för vindstyrka, körförlopp m.m. Denna eftersläpning kan vara mycket komplicerad och därmed svår att ge en representativ beskrivning av.

Temperaturutvecklingen kan förväntas vara beroende av flera fordons-beskrivande variabler. För att uppnå generellt användbara funktioner, vilka även skulle kunna ge representativitet för bilparken, vore det fördelaktigt om tempera-turutvecklingens fordonsberoende kunde knytas till sådana variabler som återfinns i Bilregistret, dvs. årsmodell, motoreffekt, drivmedelstyp, fordonsmassa m.m.

4

Metod

4.1

Inledning

Studien baseras huvudsakligen på mätningar utförda av VTI men även på data från SAAB. Beträffande data från SAAB finns ej några detaljerade uppgifter tillgäng-liga om använd mätutrustning m.m. Data från SAAB har ändå utnyttjats i ana-lysen. Den följande metodbeskrivningen avser till största delen VTI:s mätningar.

4.2

Mätutrustning

Studien förutsatte användning av en utrustning med möjligheter att registrera föl-jande:

• temperaturutveckling i olika fordonskomponenter

• avgashalter

• omgivande meteorologiska förhållanden

• körförlopp.

En första gruppering av de i utrustningen ingående delarna kan göras enligt följ-ande:

• ett system för registrering av körförlopp och bränsleförbrukning

• ett system för registrering av temperaturer från olika givare i fordonet, avgas-data m.m.

• en meteorologisk station.

Systemet för registrering av körförlopp m.m. har använts av VTI under lång tid och omfattar följande delar:

• en centralenhet i form av en PC för avläsning och lagring av data

• en hjulpulsgivare på icke drivande hjul för registrering av körförlopp

• en bränslemätare

• en temperaturgivare i bränslesystemet direkt före motorn.

Bränsleflödet har registrerats med en Pierburg PLU 116H flödesmätare. Instru-mentet är state-of-the-art inom bränslemätning och har automatisk korrektion för bränslereturflöden, ångfickor och temperaturdifferenser. Mätområden från 0,4 dm3/timme upp till 60 dm3/timme finns att tillgå. Bränsleförbrukning har registre-rats då systemet där bränslemätaren ingår har använts. Från detta mätsystem, bränsle och körförlopp, har dock endast data om körförlopp utnyttjats.

Systemet för registrering av temperaturer m.m. från olika givare i fordonen har omfattat följande:

• en centralenhet i form av en PC för avläsning och registrering av temperatur-data

• givare i kylvattnet:

− VOLVO 940, tre givare

− VOLVO 240, en givare

• en givare i smörjoljan

• en givare i motorrummet

• tre givare i katalysatorn1:

− en i höljet

− en i framkant av innanmätet

− en i bakkant av innanmätet

• en givare för omgivningsluften, vilken genomgående har varit placerad på den yttre backspegeln på fordonets högra sida

• en avgasmätare.

Motivet till att för en mätbil använda tre givare i motorblockets kylvatten var en hypotes om att mer än marginella temperaturskillnader kunde finnas mellan olika mätpunkter.

Beskrivningen av mätpunkter i katalysatorn ovan gäller för VOLVO 940. För de två SAAB-bilarna har tre mätpunkter funnits inne i katalysatorn.

Om temperaturmätningar skulle utföras i större omfattning på flera bilar borde det vara en betydande fördel om katalysatortemperaturen kunde följas genom mätning i höljet. Mot denna bakgrund placerades en av de tre givarna i katalysa-torns hölje för VOLVO 940.

Ytterligare givare som skulle kunna vara motiverade är för kylvattnet utanför motorblocket och för kylfläkten. Den sista givaren skulle ge varvtal på fläkten.

Volymhalterna av avgaskomponenterna för VOLVO 940 har registrerats med en Crypton 290 4-gasmätare, placerad inuti fordonet. Provtagningen sker med en probe instucken ca 30 cm i avgasröret. Avgasprovet når (och lämnar) analys-instrumentet via slangar dragna genom ett av bilens sidofönster. Mätaren är ett robust direktvisande instrument, baserat på infrarödabsorption och av den typ som används t.ex. i bilverkstäder och vid årlig kontrollbesiktning. Koncentrationerna (ppm eller % på volymsbasis) av kolväten (HC), kolmonoxid (CO), koldioxid (CO2) och syre (O2) samt uppgift om varvtal, oljetemperatur, λ (lambda) kan erhållas ca var 10:e sekund. Varje analys har initierats manuellt dvs. som oftast var 10:e sekund.

Det fordonsburna mätsystemet för temperaturer m.m. har genomgående läst av alla givare var 10:e sekund.

Den meteorologiska stationen omfattar följande:

• en givare för vindstyrka

• en givare för in- och utstrålning (pyrometer)

• en givare för lufttemperatur.

Registrering av data från den meteorologiska stationen har gjorts genom samman-koppling med den fordonsburna dataloggern för temperaturregistrering. Därmed finns data från stationen endast tillgänglig då mätbilen varit parkerad. För beskriv-ning av lufttemperatur har generellt mätbilarnas givare använts.

1 _{Enligt uppgifter från Uno Nyman, SAAB, beskrivs katalysatortemperaturen bäst genom att ett}

hål borras för temperaturgivaren 2,5 cm in i ”stenen”. Vad som också är viktigt är att kontrollera att något läckage inte förekommer mellan temperaturgivaren och katalysatorns hölje dvs. i genomföringarna.

Vindstyrka under körning har beskrivits med ytterligare en vindmätare än den som finns i den meteorologiska stationen.

4.3

Mätbilar

Valet av mätbilar har främst styrts av vad som funnits tillgängligt dvs. bilar som tidigare varit utrustade i större eller mindre utsträckning för denna typ av mät-ningar. Dessa bilar har tidigare varit utvalda för att motsvara vanligen före-kommande bilmodeller. Beträffande avgasmätningar, som ingår mera marginellt i studien, kan man naturligtvis inte tala om representativitet då mätningar utförts på två bilar även om dessa skulle vara vanligt förekommande. Man kan förvänta ett större representativitetsproblem för avgas- än för temperaturmätningar som följd av att en större varians kan förväntas mellan lika bilar för avgaser än för motor-temperatur. I tabell 4.1 har uppgifter om de använda mätbilarna sammanställts inklusive uppgifter om förekomst av motorvärmare m.m.

Tabell 4.1 Sammanställning av mätbilar. Samtliga mätbilar är bensindrivna.

Motor

Modell-Beteckning*

Års-modell Slagvolym Effekt (kW) Olja (dm3) Vatten (dm3) Kataly-sator Motor-värmare

VOLVO 240 82 2,13 78 4,00 9,50 Nej Nej

VOLVO 940 92 2,32 96 3,85 8,50 Ja Ja**

GOLF 82 1,59 55 3,50 4,50 Nej Nej

SAAB 97*** 2,30 110 4,00 8,50 Ja Nej

SAAB 97*** 2,30 136 4,00 8,50 Ja Ja**

* Mätningar med SAAB-bilarna har utförts av SAAB AUTOMOBILE AB. SAAB:en utan

motorvärmare har en sugmotor och manuell växellåda. Den andra SAAB:en med motor-värmare har en turbo-motor och automatisk växellåda.

** VOLVO: 550 W angivet, men 520 W enligt kontrollmätning.

SAAB: 550 W (CALIX).

*** Båda SAAB:arna har varit av årsmodell 94, men motorerna har bytts ut till vad som

motsvarar 97 års modeller.

Mätbilarna har genomgående varit bensindrivna. Motorvärmarna har varit el-drivna.

Temperaturutvecklingen i bilmotorer kan förväntas vara beroende både av bil-modell och eventuellt även av vald fordonsindivid. Eftersom det förekommer att utsläpp under kallstart regleras i bestämmelser för avgasutsläpp skulle också ett systematiskt beroende av s.k. kravnivåer finnas, åtminstone ifråga om kata-lysatorn. Vald fordonsindivid inom grupp bilar av samma modell skulle kunna förväntas ha större betydelse ifråga om katalysator och mindre betydelse i övrigt.

4.4

Mätsträckor och uppställningsplatser

De av VTI utförda mätningarna har med ett undantag skett på en slinga i Linköping med en längd av ca 9 km. Slingan innehåller delar av följande gator i nämnd ordning:

• utfart från VTI

• Malmslättsvägen

• Kaserngatan

• Djurgårdsgatan

• Lambohovsleden

• Universitetsvägen

• infart till VTI.

Hastighetsbegränsningen har varit 70 km/h på Universitetsvägen och Lambohovs-leden samt 50 km/h på övriga gator.

Normalt har slingan körts två varv, men i något fall fyra varv. Utfart från VTI respektive infart till VTI har endast skett en gång per mätning, dvs. övriga del-sträckor har alltid passerats minst dubbelt så många gånger som in- och utfarten till VTI.

Slingan har alltid körts medurs. Körningar har utförts med två olika förare. Den ena föraren har kört under avgasmätningarna och den andra under övriga mät-ningar.

Ett alternativ till den valda mätslingan skulle kunna vara mätning på chassi-dynamometer i laboratorium. Mätning i laboratorium skulle kunna förväntas ge mindre spridning i data. Körning utomhus på väg kan dock förväntas ge bättre representativitet för verkliga förhållanden.

Andra mera speciella mätningar som utförts är följande:

• systematisk variation av stopptider: 1, 2, 4, 8 och 16 minuter. Varje sådan motoravstängning föregicks av att mätslingan kördes ett varv

• uppvärmning under körning på mätslingan följd av längre tomgångskörning

• mätning från Linköping till Norrköping, dvs. först stadskörning, sedan körning på motorväg och slutligen åter stadskörning.

I figur 4.1 redovisas som ett exempel körförloppet för ett varv på mätslingan (VOLVO 240). Observera enligt ovan att varje mätning motsvarar minst två varv på mätslingan. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Mätsträcka (m) Hast ighet ( k m /h)

Figur 4.1 Exempel på körförlopp under ett varv på mätslingan i Linköping.

Mätbilen har inför körningar parkerats på tre typer av uppställningsplatser:

• utomhus

• kallgarage

• varmgarage.

Temperaturmätningar har utförts både på uppställningsplatserna och under kör-ning.

4.5

Mätinstruktion

Mätningarna har omfattat uppvärmning med motorvärmare; uppvärmning under körning och avsvalning under parkering med avstängd motor. Flera utrustningar har använts enligt avsnitt 4.2.

Vid parkering utomhus har instruktionen varit att parkera ”långt” från närmaste byggnad.

Uppvärmning med motorvärmare:

• inkoppling 3 respektive 6 timmar före start

• loggning av motortemperaturer och meteorologiska förhållanden Uppvärmning under körning:

• synkronisering av de olika utrustningarna

• minimal tomgångskörning före start

• mätsträckor enligt avsnitt 4.4

• mätslingan körs alltid i samma riktning

• minimal tomgångskörning före avstängning

• generellt loggning av motortemperaturer

• i vissa fall mätning av körförlopp, bensinförbrukning och avgaser. Avsvalning efter motoravstängning:

• samma parkeringsinstruktion som för motorvärmare

• generellt loggning av fordonstemperaturer och av meteorologiska data

• tillräckligt lång tid för anpassning av fordonstemperaturer till omgivnings-luftens temperatur.

Eftersom inte primärt inverkan av olika körförlopp söks har instruktionen varit att välja tidpunkter för körning som ger likartade trafikförhållanden och därmed även likartade körförlopp.

Instruktionerna har i praktiken inte kunnat följas fullständigt. Bl.a. har tiden från urkoppling av motorvärmare till start varierat mellan 1–7 minuter. Körningar på mätslingan har påbörjats vid tidpunkter i intervallet kl. 10.00 – 15.10.

4.6

Mätdata

En översiktlig sammanställning av VTI:s mätningar redovisas i tabell 1 i bilaga 1. I tabellerna 2, 3 och 4, också i bilaga 1, redovisas förekommande faser – inkopp-lad motorvärmare, körning och avsvalning – inom mätningarna. I dessa tabeller redovisas bl.a. mättiden per fas och väderleksförhållanden.

Systemet för uppföljning av temperaturdata har ställts in så att avläsningar finns var 10:e sekund.

Antalet mätningar med de olika bilarna har varit följande:

• GOLF, 3 mätningar

• VOLVO 240, 4 mätningar

• VOLVO 940, 26 mätningar

• SAAB1, 2 mätningar

• SAAB2, 3 mätningar.

Som bakgrund för valda funktionsansatser har valts att redovisa exempel ur mät-data i form av figurer. Exemplen avser i de flesta fallen VOLVO 940 och är avgränsade till VTI:s mätningar.

Det kan finnas betydande skillnader i temperatur mellan olika mätpunkter i motorblockets kylvatten. I figur 4.2 beskrivs temperaturutvecklingen i tre mät-punkter från inkoppling av motorvärmare, under körning och fram till motor-avstängning. Enligt figuren 4.2a är den maximala temperaturskillnaden mellan de tre mätpunkterna ca 20°C under uppvärmning med motorvärmare, vilket mot-svarar att den största uppvärmningen i någon punkt blir i det närmaste dubbelt så stor som den lägsta. Detta innebär att det är starkt motiverat att ange vad som menas med temperaturökning då motorvärmare används.

Efter motorstart och efter att temperaturen stabiliserats är skillnaden ca 5°C mellan mätpunkten med högst och lägst temperatur, se figur 4.2.b.

-10 0 10 20 30 40 50 60 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Tid(h) Temper atur (°C )

motorv motorhf motorhb

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 6 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 Tid (h) Temper atur (°C)

motorv motorhf motorhb

Figur 4.2b

Figur 4.2a–4.2b Temperaturutveckling i motorblockets kylvatten för tre

mät-punkter (motorv (vänster); motorhf (höger fram) och motorhb (höger bak)) från inkoppling av motorvärmare (4.2a), under körning (4.2b) och fram till motor-avstängning. Mätbil: VOLVO 940.2

Temperaturutvecklingen från motorstart, utan föregående användning av motor-värmare, och fram t.o.m. viss del av avsvalningsförloppet har redovisats i figur 4.3. -20 0 20 40 60 80 100 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tid (h) Temper atur (°C )

motorv motorhf motorhb

Figur 4.3 Temperaturutveckling i motorblockets kylvatten för tre mätpunkter

(motorv (vänster); motorhf (höger fram) och motorhb (höger bak)) från motorstart under körning och inklusive en del av avsvalningsförloppet. Mätbil: VOLVO 940.3

2

Avser mätning med beteckning mt 0125 enligt bilaga 1.

Ur figur 4.3 framgår att den största temperaturdifferensen mellan mätpunkterna i kylvattnet efter avstängning är knappt 10°C. Det finns också en fördröjning mellan det att motorn startas till dess att en snabbare temperaturökning kommer till stånd.

I figur 4.4 redovisas temperaturutvecklingen i tre mätpunkter på katalysatorn. Punkternas placering:

• i innanmätets framkant

• i innanmätets bakkant

• i höljet.

Syftet med att ha en mätpunkt i höljet var att undersöka om denna mätpunkt hade en god samvariation med temperaturutvecklingen i innanmätets mätpunkter.

-100 0 100 200 300 400 500 0 0,5 1 1,5 2 Tid (h) Tem p erat ur ( °C)

katf katb katyt

Figur 4.4 Temperaturutveckling i katalysatorn under körning och efterföljande

avsvalning för tre mätpunkter, en i höljet (katyt) och två invändigt (katf; katb). Mätbil: VOLVO 940.4

En korrelationsanalys har utförts mellan temperaturdata från höljets mätpunkt och innanmätets mätpunkter med följande korrelationsnivåer som resultat:

• för uppvärmning under körning:

− 0,768 för framkant

− 0,867 för bakkant

• för avsvalningsdelen:

− 0,960 för framkant

− 0,940 för bakkant.

Korrelationerna tolkas som att det inte är uteslutet att förändring av temperaturen inne i katalysatorn skulle kunna beskrivas baserat på höljets temperatur, åtmin-stone när sambandet kartlagts.

Det kan vara av intresse att se den parallella utvecklingen av temperaturen i oljan, vattnet, katalysatorn och i motorrummet och hur denna utveckling påverkas av motorvärmare. I figurerna 4.5 och 4.6 redovisas exempel på utvecklingen med och utan inkopplad motorvärmare för mätbilen VOLVO 940.

-10 0 10 20 30 40 50 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Tid (h) Temper atur (°C )

olja motorrum mv vatten mv kat

Figur 4.5a -100 0 100 200 300 400 500 600 5,50 5,75 6,00 6,25 6,50 Tid (h) Temper atur (°C )

olja motorrum mv kat mv vatten

Figur 4.5b

Figur 4.5a–b Temperaturutveckling i olika delar av motorn. Från inkoppling av

motorvärmare (4.5a), under körning (4.5b) och till motoravstängning. Mätbil: VOLVO 940. Obs. skillnaden i temperaturskalor mellan figur a och b.5

-100 0 100 200 300 400 500 600 0 0,5 1 1,5 2 Tid (h) Temper atur (°C )

olja motorrum mv kat mv vatten

Figur 4.6 Temperaturutveckling i olika delar av motorn utan föregående

använd-ning av motorvärmare. Från motorstart och t.o.m. viss del av avsvalanvänd-nings- avsvalnings-förloppet. Mätbil: VOLVO 940.6

Motsvarigheten till figur 4.6 för mätbilarna GOLF och VOLVO 240 redovisas i figurerna 4.7 och 4.8 med ett exempel per bil. Genom att VOLVO 240 startats med en motortemperatur av ca 20°C och de andra med en temperatur av ca 0°C har jämförbarheten försämrats.

0 20 40 60 80 100 0 0,5 1 1,5 2 Tid (h) Temper atur (°C )

olja kylvatten motorrum

Figur 4.7 Temperaturutveckling i olika delar av motorn utan föregående

använd-ning av motorvärmare. Från motorstart och t.o.m. viss del av avsvalanvänd-ningsför- avsvalningsför-loppet. Mätbil: GOLF.7

6

Avser mätning med beteckning mt 0111 enligt bilaga 1.

-20 0 20 40 60 80 100 0 0,5 1 1,5 2 Tid (h) Temper atur (°C )

olja kylvatten motorrum

Figur 4.8 Temperaturutveckling i olika delar av motorn utan användning av

motorvärmare. Från motorstart och t.o.m. viss del av avsvalningsförloppet. Mät-bil: VOLVO 240.8

Åtminstone temperaturen i katalysatorn påverkas av körförlopp, vilket framgår av jämförelse mellan figur 4.9 och figur 4.6. Figur 4.9 innehåller körning i tätort, på motorväg och avslutningsvis åter i tätort.

0 100 200 300 400 500 600 700 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 Tid (h) Temper atur (°C )

Figur 4.9 Temperaturutveckling i katalysatorn, medelvärde av temperaturer i

innanmätets fram- och bakkant, utan föregående användning av motorvärmare. Mätbil: VOLVO 940. Mätsträcka: Linköping till Norrköping inklusive körning på motorväg.

Vid avstängning av motorn ökar först temperaturen i kylvattnet, se figur 4.10. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tid (h) Temper atur (°C )

VOLVO 240 VOLVO 940 GOLF

Figur 4.10 Temperaturutveckling i kylvattnet direkt efter motoravstängning. Enligt exemplen i figur 4.10 kan det ta uppemot 0,12 h innan temperaturen i kyl-vattnet är nere på samma nivå som vid avstängning. Om samtliga mätningar betraktas blir den maximala tiden med förhöjd kylvattentemperatur mellan 5 och 9 minuter beroende på bilmodell.

4.7

Funktionsansatser

Temperaturfunktioner söks i följande fall:

• avstängd motor:

− utan inkopplad motorvärmare

− med inkopplad motorvärmare

• motor igång.

Den utveckling som skall beskrivas har något olika karaktär i olika komponenter och i olika situationer, vilket framgår ur figurerna 4.2–4.10.

För en avstängd motor utan inkopplad motorvärmare skall värmeenergi över-föras mellan motorn och motorrummet och mellan motorrummet och omgivande luft. Riktningen för denna överföring av värmeenergi styrs av temperaturskill-naderna mellan de olika delarna. Eftersom värmeenergins riktning är från högre till lägre temperatur så är det inte enbart fråga om överföring från motorn till om-givningen. Inne i motorn sker naturligtvis också en överföring mellan olika delar av motorn. Temperaturhöjningen under de första minuterna efter avstängning, se figur 4.10, är ett uttryck för de överföringar av värmeenergi som sker från cylind-rarna till omgivande kylvatten efter avstängning av motorn.

De aktuella motorvärmarna värmer endast direkt kylvattnet. Indirekt, via kyl-vattnet, värms naturligtvis övriga delar av motorn m.m. Temperaturen höjs med ett värde ∆T

max

MV över omgivande lufts temperatur. Utöver motorvärmarens elektriska

effektuttag kan ∆T

max

MV förväntas bero av hur väl isolerat som motorrummet är, av

Enligt figur 4.10 följer direkt efter motoravstängning en temperaturhöjning av kylvattnet. En ambitionsnivå har valts för funktionsbeskrivningen enligt vilken temperaturen förutsätts vara konstant under denna första tidsperiod efter av-stängning. Beskrivning av temperaturutveckling efter avstängning börjar därför först efter denna inledande fas. Vid användning av avsvalningsfunktionerna måste dessa tider vara kända om man skall kunna uppskatta motortemperatur efter viss tid från motoravstängning.

Temperaturutvecklingen i en avstängd motor utan motorvärmare kan antingen vara avtagande eller ökande. Avtagande gäller då lufttemperaturen är lägre än motortemperaturen och ökande gäller då lufttemperaturen är högre än motor-temperaturen.

Då en motor är igång kan det per drifttillstånd förväntas finnas en jämvikts-temperatur (Tjv) efter ”oändlig” tid om samma körförlopp fortlöpande upprepas. Vid förändring av drifttillstånd tar det viss tid innan den nya jämviktstemperaturen har nåtts. Jämviktstemperaturen kan förväntas bero på motorbelastningen, vilken bl.a. är en funktion av medelhastighet. Jämviktstemperaturen beror naturligtvis också av förekommande termostater i motorn. Förekomst av termostater och inställning av dessa kan vara den viktigaste förklaringen till nivån på uppmätta jämviktstemperaturer. Denna studie är avgränsad till att beskriva tiden från det motorn startas och upp till en sluttemperatur motsvarande det tillstånd som mätslingan i Linköping representerar. Denna slinga representerar många olika momentana tillstånd. Det skattade temperaturlyftet motsvarar ett medelvärde av alla de momentana situationerna.

De komponenter som temperaturutvecklingen beskrivits för är motorblockets kylvatten, smörjoljan och katalysatorn.

En störningskälla i funktionsanpassningen skulle kunna vara motorfunktioner som kopplas in och ut under olika förutsättningar. Sådana funktioner utgörs av termostaten till kylvattnet och av om kylfläkten är termostatstyrd. Det skulle ha varit önskvärt med data som beskriver dessa funktioner på mätbilarna. Om sådana data funnits tillgängliga skulle funktionerna kunnat utökas med variabler för en beskrivning av dessa komponenter. Dessa komponenter har normalt endast bety-delse för en motor igång men det finns elektriska kylfläktar som kan starta efter att motorn stängts av. Det skulle därmed kunna bli så att kylvattentemperaturen under körning vid högre motorbelastning skulle kunna vara lägre än vid lägre motor-belastning som funktion av olika kylningsfunktioner i motorn.

Ur mätdata framgår vissa typiska förlopp:

• för avstängd motor utan motorvärmare; temperaturen går asymptotiskt mot omgivningsluftens temperatur

• för avstängd motor med motorvärmare; temperaturen går asymptotiskt mot en nivå motsvarande omgivningstemperaturen plus en motorvärmarhöjning

• för motor igång; temperaturen går asymptotiskt mot viss nivå, vilken i huvud-sak är oberoende av omgivande lufttemperatur.

För beskrivning av temperaturutveckling i en avstängd motor utan inkoppling av motorvärmare har följande ansats valts:

Tut = Tair + (Tin

−

Tair)

×

exp ((ai + cwi

×

w)

×

ti) (1)

Tut: motortemperatur vid tidsintervallets slut (oC)

Tin: motortemperatur vid tidsintervallets början (oC)

Tair: lufttemperatur under de senaste 5 eller 10 minuterna (oC)

ai: parameter för temperaturintervall i

i: index för temperaturintervall 1 eller 2.

Index 1 betecknar temperaturintervallet Tut – Tair> 40°C

w: vindhastighet under de senaste 5 eller 10 minuterna (m/sek) cwi: vindparameter för temperaturintervall i

ti: tid från initialtemperatur per intervall 1 eller 2 (h).

För beskrivning av den temperaturhöjning som följer av en inkopplad motor-värmare har följande ansats valts:

T'_ut = min (Tut +

∆

T, 80) där Tut motsvarar ”Avstängd motor utan (2) motorvärmare”

∆

T =

∆

T

max

MV

×

(1 - exp ((a + c_w

×

w)

×

t))

T'_ut: motortemperatur med inkopplad motorvärmare vid tidsintervallets slut (°C)

∆

T: uppvärmning efter viss tid (oC)

∆

Tmax: maximal uppvärmning med motorvärmare (oC) a: parameter

cw: vindrelaterad parameter

w: vindhastighet (m/sek)

t: tid från start av motorvärmare (h).

Funktionsdelen för uppvärmning (

∆

T) används ihop med delen utan uppvärmning (1), vilken ger den temperaturnivå som motorvärmaren höjer utöver. Vid skattning av parametrarna i motorvärmardelen används för den andra delen (1) de parametrar som tidigare skattats för denna.

För beskrivning av temperaturutvecklingen under körning har följande ansats valts:

Tut = Tjv

×

(1-exp(a

×

g(Tin, t)) + Tin

×

exp(a

×

g(Tin, t)) (3) där

g(Tin, t) = exp(exp((Tin+273)/273

×

max(t-b, 0))-1)-1

Tut: motortemperatur under körning viss tid efter start (°C)

Tin: temperatur vid start

T: tid sedan start [h] Tjv: jämviktstemperatur (oC)

a: parameter.

Funktionen växer efter en viss fördröjning (b timmar).

4.8

Statistisk analys

Parameterskattningar har genomförts enligt två metoder:

• linjär regressionsanalys

• icke-linjär minsta kvadratanpassning i MATLAB.

Analysen enligt den första punkten har byggt på förutsättningen att en exponen-tialfunktion valts. Då denna logaritmerats har förutsättningar för en linjär regres-sionsanalys skapats. Separata analyser har först genomförts per mätning. Varje sådan regressionsanalys har resulterat i två parametervärden. Slutligen har medel-värden bildats per parameter baserade på parameterskattningar från samtliga mät-ningar inom samma grupp. Med grupp avses samtliga mätmät-ningar med viss bil och i viss fas.

Vid analys enligt den andra punkten har samtliga mätningar inom samma grupp, exempelvis avsvalning för kylvatten i viss mätbil, analyserats i ett steg. Denna metod har gett betydligt bättre anpassning till mätdata än enligt den första punkten. Resultatredovisningen har avgränsats till den andra metoden.

För den statistiska analysen har speciella filer lagts upp. I dessa har mätdata för uppvärmning med motorvärmare och avsvalning reducerats till var 5:e minut för katalysatorn och var 10:e minut för övriga komponenter. Meteorologiska data har medelvärdesbildats för den senaste 5-minuters- respektive 10-minutersperioden avseende avstängd motor. För funktionsanpassning avseende körning har meteo-rologiska data medelvärdesbildats per timme.

För uppvärmning under körning har tidsteget 10 sekunder i mätfilen omvandlat till timmar behållits. Även hastighet har lagts in i analysfilen. Den inlagda hastig-heten är medelhastighastig-heten under en mätning.

Valet av första observationen per fas i analysfilerna har varit olika:

• för avsvalning, dvs. avstängd motor utan motorvärmare, har för katalysatorn observationer efter 5 minuter och för övriga komponenter 10 minuter valts.

• för uppvärmning med motorvärmare har observationer vid tidpunkt för inkopp-ling valts

• för körning, observationer efter 10 sekunder.

Beträffande temperatur i katalysatorn har en medeltemperatur bildats av data från innanmätets fram- och bakkant för samtliga bilar. Data från mätpunkten i kata-lysatorns mittpunkt på SAAB:arna har inte utnyttjats. Under avsvalning är tempe-raturen i mittpunkten betydligt högre än i de övriga två punkterna. Detta skulle kunna tala för att den efterföljande resultatredovisningen är något missvisande ifråga om hur lång tid det exempelvis tar innan den s.k. tändtemperaturen (350°C) nås m.m.

För VOLVO 940 har totalt tre mätpunkter funnits för kylarvattnet i motor-blocket. Vid uppvärmning med motorvärmare har en medeltemperatur för de tre mätpunkterna per tidsteg bildats för analys. I övriga fall, för VOLVO ´940, har enbart mätpunkten betecknad ”motorhb” använts för analys.

5

Resultat

5.1

Avgashalter och motortemperatur

Avgasmätningar har genomförts parallellt med mätning av motortemperatur. I figurerna 5.1a, 5.1b och 5.1c redovisas utvecklingen av temperaturen för kylvatten och olja samt parallellt för HC- och CO-halt avseende mätbilen av typ VOLVO 240. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Tid (h) Tem p eratur (°C) olja Vatten Figur 5.1a 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Tid (h) CO ( v o ly m %) Figur 5.1b

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Tid (h) HC (volym ppm ) Figur 5.1c

Figur 5.1a–c Utveckling av motortemperaturer och avgashalter från motorstart.

Mätbil: VOLVO 240. Lufttemperatur: ca 2°C.

I figurerna 5.2a–c redovisas de parallella utvecklingarna av motortemperaturer och avgashalter för VOLVO 940. g g -100 0 100 200 300 400 500 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Tid (h) Temper atur (°C )

Katalysator Olja Vatten

0 2 4 6 8 10 12 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Tid (h) CO (v oly m % ) Figur 5.2b 0 200 400 600 800 1000 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Tid (h) HC (volym ppm ) Figur 5.2c

Figur 5.2a–c Utveckling av motortemperaturer och avgashalter. Mätbil:

VOLVO 940. Lufttemperatur: Ca −3°C.

Utvecklingen av katalysatortemperaturen har enligt figur 5.2 en brytpunkt efter ca 0,03 h (ca 100 sekunder). Ur figur 5.2 framgår att katalysatortemperaturen stabi-liserats efter ca 0,10 h (ca 400 sekunder).

För båda bilarna har avgashalterna stabiliserats efter ca 0,08–0,11 h (300–400 sekunder).

Åtminstone i dessa exempel skiljer mönstret för hur mereffekten avseende avgasutsläpp för en ej fullt uppvärmd motor går mot noll. För katalysatorbilen sker avtagandet asymptotiskt medan för bilen utan katalysator något som mera liknar en trappstegseffekt, åtminstone för CO, har registrerats. Eftersom bilen utan katalysator, VOLVO 240, haft manuell choke kan inte någon mera generell slutsats dras ens för det aktuella fordonet. Förhållandet mellan luft och bränsle har för VOLVO 240 varit som lägst i tidsintervallet 0,058–0,067 h (210–240 sekunder) efter start, vilket skulle kunna tala för att hanteringen av choken inte varit representativ.

Om utvecklingen av halter relativt katalysatortemperatur betraktas för VOLVO 940 finner man att utvecklingen kan indelas i:

• ett långsammare förlopp upp till ca 275°C

• ett snabbare förlopp från ca 275°C till ca 375°C

• ett ”stabilt” läge över ca 375°C.

Om istället utveckling av halter relativt kylvattentemperatur betraktas finns en ganska stabil avtagande trend upp till ca 60°C, efter vilken haltnivåerna stabilise-rats.

Om man jämför förklaringsgrader (justerad R2) mellan de olika alternativen fås:

• för avgaser relativt katalysatortemperatur:

− HC, 0,635

− CO, 0,854

• för avgaser relativt kylvattenvattentemperatur:

− HC, 0,663

− CO, 0,798.

Slutsatsen av detta skulle vara att CO har ett starkare temperaturberoende än HC och att det inte, varken för CO eller HC, här är någon större skillnad i betydelse mellan katalysator- och vattentemperatur.

Motsvarande analys för VOLVO 240 mellan avgashalter och kylvattentempe-ratur gav följande förklaringsgrader (justerade R2-värden):

• HC, 0,204

• CO, 0,579.

Även för detta exempel har därmed ett starkare temperaturberoende konstaterats för CO än för HC. Temperaturberoendet för VOLVO 240 skulle också kunna vara betydligt mindre än för VOLVO 940 enligt erhållna förklaringsgrader.

Från SAAB finns ytterligare mätdata tillgänglig för de två bilarna enligt tabell 4.1. Dessa data omfattar körningar enligt olika körcykler och med olika lufttempe-raturer. Utöver temperaturdata ingår även data avseende: bränsle; HC; CO och NOX. Av resursskäl har inte dessa avgasdata kunnat analyseras inom ramen för föreliggande studie.

5.2

Tomgång och temperaturutveckling

I tät trafik kan längre perioder med tomgång förekomma. Om katalysatorns tempe-ratur skulle sjunka under tänd-tempetempe-raturen reduceras katalysatoreffekten både under tomgång och under efterföljande acceleration. Ett prov genomfördes som innehöll en uppvärmningsdel och en tomgångsdel, se figur 5.3.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Tid (h) Temper atur (°C )

Katalysator medel Vatten medel olja

Figur 5.3 Temperaturutveckling under körning och tomgång. Mätbil:

VOLVO 940. (Tomgång: 0,37–0,63 h).

Enligt figuren sjunker temperaturen i katalysatorn fortlöpande under tomgångs-delen, den del av kurvan som inramas av de två vertikala linjerna. I det aktuella fallet har medeltemperaturen i katalysatorn sjunkit under 350°C, vilket har tagit ca 0,033 h (120 sek). En intressant jämförelse bör vara mellan temperaturutveck-lingen i en avstängd motor och en motor på tomgång.

Följande temperaturfall per minut har uppmätts i katalysatorn under tomgång och för avstängd motor:

• vid 350°C, 19°C och 55°C

• vid 300°C, 13°C och 39°C.

Temperaturfallet i katalysatorn är enligt exemplen under tomgång ca en tredjedel av värdet för avstängd motor. Denna relation gäller inte för nya katalysatorbilar (Nyman, 1999).

5.3

Stoppintervall och temperaturutveckling

Skall en bilmotor med katalysator stängas av under stopp som varar några minu-ter? Här förekommer uppgifter om att det i vissa fall kan vara motiverat att inte stänga av motorn.

Med avstängningsalternativet fås inga tomgångsutsläpp men däremot följer en ökad risk för förhöjda accelerationsutsläpp jämfört med tomgångsalternativet För att bedöma om en motor skall lämnas på tomgång eller stoppas krävs följande in-formation:

• avgasmängd under tomgångstid

• med tomgång, avgasmängd under efterföljande körförlopp

• med avstängd motor, avgasmängd under efterföljande körförlopp.

Denna information finns inte tillgänglig i detta fall. Eftersom avgasutsläppen kan vara mycket olika mellan olika bilmodeller och mellan olika bilindivider av

samma modell är det svårt att generalisera även om ett mera omfattande underlag skulle finnas tillgängligt.

Temperaturutvecklingen i katalysatorn under och efter stopp kan till viss del belysa problematiken. Ett speciellt försök genomfördes där ett och samma kör-förlopp följdes av motoravstängning av olika längd: 1; 2; 4; 8 och 16 minuter. I figur 5.4 redovisas utvecklingen av den genomsnittliga katalysatortemperaturen under försöket. 0 100 200 300 400 500 600 0 0,5 1 1,5 2 Tid (h) T e m p eratu r (° C )

Katalysator medel Vatten medel olja

Figur 5.4 Temperaturutveckling i katalysatorn under körning och under

motor-avstängning (1; 2; 4; 8 och 16 minuter). Mätbil: VOLVO 940.

Om 350°C verkligen skulle utgöra en gräns under vilken utsläppen skulle öka påtagligt borde enligt figur 5.4 det finnas risk för reducerad katalysatorfunktion för avstängningar längre än 1 minut eftersom denna avstängningstid medför en katalysatortemperatur under 350°C. Denna slutsats är avgränsad till den aktuella mätbilen. Enligt avsnitt 5.2 finns en liknande risk också för tomgång, även om då risken blir mindre.

Det redovisade försöket borde ha kompletterats med ett motsvarande i vilket motoravstängning hade ersatts med lika långa tomgångstider som enligt figur 5.4.

5.4

Funktionsbeskrivning av temperaturutveckling i en

motor efter start

Den ansats som valts för temperaturbeskrivning avseende startad motor (3) innehåller två termer:

• en som representerar den jämviktstemperatur motorn asymptotiskt går mot efter ”lång” tid

• en som representerar temperaturen för en motor vid start.

Jämviktstemperaturen efter ”lång” tid blir med den valda ansatsen i stort sett obe-roende av utgångstemperaturen eftersom termen för starttemperatur går mot noll efter lång tid.

I de testade funktionsansatserna ingår varianter där jämviktstemperaturen (Tjv) och parametern (a) för temperaturökning har beskrivits som funktion av medel-hastighet. Då dessa ansatser anpassats till mätdata har parametrarna med koppling till medelhastighet inte blivit signifikant skilda från noll. Därmed har den enklare ansatsen (3) valts. De resulterande parameterskattningarna har redovisats i bilaga 2. Ur tabellerna i bilaga 2 framgår bl.a. en skattning av vad som motsvarar en slutlig jämviktsnivå (Tjv). För starter utan motorvärmare har intervall, repre-senterande skillnader mellan de tre mätbilarna, för jämviktstemperaturer (Tjv), skattats enligt följande:

• kylvattentemperatur, 77,1–86,5°C

• oljetemperatur, 83,0–91,5°C

• katalysatortemperatur, 442–450°C.

Användning av motorvärmare jämfört med utan användning har medfört följande avseende parametern (a) i (3):

• kylvatten, ingen nämnvärd skillnad

• olja, betydligt större absolutvärde

• katalysator, betydligt mindreabsolutvärde.

Parametern a har genomgående fått negativt tecken i funktionsskattningarna. I figurerna 5.5–5.7 redovisas jämförelser mellan beräknade och uppmätta temperaturer för kylvatten, olja och katalysator avseende VOLVO 940. Jämförel-serna baseras på två mätningar.

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 -20 0 20 40 60 80 100

V940 Korning Matningar: 2 Korrelation= 0.98715

Funktionsvärden d=79.1453 a1(t)=-9.8145 V a tten : O b ser v ati oner

Figur 5.5 Kylvattentemperatur under körning, en jämförelse mellan modell och

mätdata. Mätbil VOLVO 940. Blå linje: observationer = funktionsvärden. Röda markeringar: utfall av jämförelsen.

-20 0 20 40 60 80 100 -20 0 20 40 60 80 100

V940 Korning Matningar: 2 Korrelation= 0.99634

Funktionsvärden d=86.1081 a1(t)=-5.4913 O lj a : O b s e rv a ti o n e r

Figur 5.6 Oljetemperatur under körning, en jämförelse mellan modell och

mät-data. Mätbil VOLVO 940. Blå linje: observationer = funktionsvärden. Röda markeringar: utfall av jämförelsen.

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 -100 0 100 200 300 400 500

V940 Korning Matningar: 2 Korrelation= 0.96496

Funktionsvärden d=444.322 a1(t)=-19.7454 Ka tal ysat o r: O b serv atio n e r

Figur 5.7 Katalysatortemperatur under körning, en jämförelse mellan modell och

mätdata. Mätbil: VOLVO 940. Blå linje: observationer = funktionsvärden. Röda markeringar: utfall av jämförelsen.

Jämförelserna i figurerna 5.5–5.7 baseras på en medelvärdesbildning av meteoro-logiska data per timme. Även om korrelationerna genomgående är höga så kan följande kommentarer lämnas:

• att det för vatten och olja finns systematiska skillnader i form av en underskattning för intervallet över 40° och en överskattning för inter-vallet under 40° C

• att det för katalysatorn finns betydande temperaturavvikelser vilka är som störst vid en beräknad temperatur av ca 200° C.

I figurerna 5.8–5.10 redovisas de skattade funktionerna för uppvärmning av kyl-vatten, olja respektive katalysator. Varje figur innehåller tre samband, ett för var och en av VTI:s mätbilar. Funktionsansatserna har utformats så att det tar viss tid, 0,015 h för kylvatten och katalysatorn samt 0,045 h för olja, innan någon tempe-raturökning sker. Denna tid (b) motsvarar den fördröjning av full temperatur-ökning som kan utläsas av figurerna i avsnitt 4.6 samt ur tabell 1 – 3 i bilaga 2.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tid (h) Tem p eratur(°C)

GOLF VOLVO 240 VOLVO 940

Figur 5.8 Kylvattentemperatur under körning enligt uppskattade

funktions-samband. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tid (h) Tem p er atur (° C)

GOLF VOLVO 240 VOLVO 940