Betydelsen av korta motoravstängningar och körtid för avgasemissioner från bensindrivna bilar med och utan katalysator

VTI meddelande 931 • 2002

Betydelsen av korta

motor-avstängningar och körtid för

avgasemissioner från

bensin-drivna bilar med och utan

katalysator

VTI meddelande 931 · 2002

Betydelsen av korta

motor-avstängningar och körtid

för avgasemissioner från

bensindrivna bilar med och

utan katalysator

Ulf Hammarström

Utgivare: Publikation: VTI meddelande 931 Utgivningsår: 2002 Projektnummer: 50243 581 95 Linköping Projektnamn:

Kallstarttillägg för bilar – beräkningsmodell och dataunderlag

Författare: Uppdragsgivare:

Ulf Hammarström KFB/VINNOVA

Titel:

Betydelsen av korta motoravstängningar och körtid för avgasemissioner från bensindrivna bilar med och utan katalysator

Referat

Avgasmätningar med korta motoravstängningar, 10 till 60 minuter, har för bensindrivna bilar visat att merutsläpp som följd av motoravstängning oftast inte går linjärt mot noll då avstängningstiden går mot noll. Speciellt stora avvikelser gäller för NOx och partiklar, både för bilar utan och med

katalysator. Merutsläpp av NOx från katalysatorbilar är större för en avstängningstid av 1 timme än

både för kortare och längre tider.

Stora förändringar, både minskningar och ökningar, i utsläppsnivåer har påvisats med ökande körsträcka i ett mätschema även efter en 23 km lång uppvärmningsdel. Om erhållna resultat skulle beaktas vid uppskattning av NOx-utvecklingen för vägtrafiken skulle den hittills beräknade

reduk-tionen kunna förväntas minska.

ISSN: Språk: Antal sidor:

Publisher: Publication: VTI meddelande 931 Published: 2002 Project code: 50243

SE-581 95 Linköping Sweden Project:

Cold start effects for cars – calculation model and input data

Author: Sponsor:

Ulf Hammarström KFB/VINNOVA

Title:

Exhaust emission variations for short engine stops and driving time for petrol cars with and without catalyst

Abstract

Extra exhaust emissions after short, 10 to 60 minutes, engine stops appear not to approach zero linearly as the stop time goes to zero. Particularly large deviations are those of NOx and

particulates for cars without as well as with catalyst. Extra NOx emissions for catalyst cars are

higher for 1 h stop time than both for shorter and longer stop time.

Large systematic variations in emission levels were confirmed for extended driving distance during dynamometer runs also after a 23 km warm-up. From this follows that the NOx reduction

with time estimated in national inventories, if these circumstances are considered, can be expected to decrease.

ISSN: Language: No. of pages:

Förord

Den här redovisade studien har utförts på uppdrag av Kommunikationsforsk-ningsberedningen (KFB). Ett tilläggsanslag för publikation har erhållits från VINNOVA. Kontaktperson hos KFB/VINNOVA har varit Claes Unge. Den ut-förda studien ingår som ett led i ett fortlöpande förbättringsarbete avseende beskrivning av vägtrafikens avgasutsläpp där kallstartutsläpp utgör en icke oväsentlig del.

Hos VTI har följande personer deltagit:

• Ulf Hammarström: projektledare; analys och dokumentation • Magnus Lenner: översättning av referat och sammanfattning • Gunilla Sjöberg: redigering

• Janet Yakoub: databearbetning

De avgasmätningar som studien baseras på har utförts hos MTC AB, med Lars Eriksson som ansvarig.

Ett koncept till detta VTI meddelande har granskats vid ett seminarium med Mats Wiklund, VTI, som lektör. Vid detta seminarium representerades MTC AB av Anders Laveskog.

Linköping i oktober 2002

Innehållsförteckning Sid

5.1 Totala utsläpp per körning 32

5.1.1 Allmän beskrivning av mätdata baserad på diagram 32

5.1.2 Statistisk analys 33

5.1.3 Totala utsläpp per körning för olika soaktider 41

5.2 Starttillägg för olika soaktider 46

5.2.1 Starttillägg enligt konventionell definition 47 5.2.2 Starttillägg enligt alternativa definitioner 54

6 Diskussion 59 7 Slutsatser 64 8 Referenslista 65 Bilagor: Bilaga 1: Mätprotokoll Bilaga 2: Mätutrustning

Betydelsen av korta motoravstängningar och körtid för avgasemissioner från bensindrivna bilar med och utan katalysator

av Ulf Hammarström

Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI) 581 95 Linköping

Sammanfattning

Avgasmätningar med korta motoravstängningar, 10 till 60 minuter, har för bensindrivna bilar visat att merutsläpp som följd av motoravstängning oftast inte går linjärt mot noll då avstängningstiden går mot noll. Speciellt stora av-vikelser gäller för NOx och partiklar, både för bilar med och utan kata-lysator. Merutsläpp av NOx från katalysatorbilar är större för en avstäng-ningstid av 1 timme än både för kortare och längre tider.

Stora förändringar, både minskningar och ökningar, i utsläppsnivåer har påvisats med ökande körsträcka i ett mätschema även efter en 23 km lång uppvärmningsdel. Om erhållna resultat skulle beaktas vid uppskattning av NOx-utvecklingen för vägtrafiken skulle den hittills beräknade reduktionen kunna förväntas minska.

Vid uppskattning av avgasutsläpp från vägtrafik med beräkningsmodeller är det vanligt med en indelning i kallstartutsläpp, varmutsläpp och avdunstning. Skill-naden mellan att köra en och samma körcykel föregånget av avstängd motor respektive med fullt uppvärmd motor utgör ett starttillägg. Kallstartutsläpp mot-svarar summan av starttillägg. Hur lång tid som en motoravstängning varar och samtidiga meteorologiska förhållanden har stor betydelse för storleken på start-tilläggen. Tillgängliga mätdata för beskrivning av starttillägg har hittills huvudsakligen utgjorts av sådana för vilka hela fordonet, med avstängd motor, konditionerats till temperaturen hos omgivande luft. Den lufttemperatur som dominerar i mätdata är ca 20°C och därunder med en konditioneringstid – soaktid – av minst 12 timmar. Tillgången på mätdata för kortare avstängningar av motorn i ett intervall från några minuter upp till 12 timmar är mycket bristfällig.

Beskrivning av starttillägg har för svenska förhållanden huvudsakligen baserats på mätdata enligt ”Federal Test Procedure” (FTP). Denna provmetod har använts så att samma körcykel, ingående i provmetoden, har körts med fordonet kondi-tionerat till omgivningsluftens temperatur respektive med vad som har betraktats som fullt uppvärmd motor. Starttilläggen har beräknats som skillnaden i utsläpp mellan de två körningarna.

I föreliggande studie har inverkan av korta avstängningstider – 10, 20, 30 och 60 minuter – studerats genom att per mätbil upprepa samma körcykel 28 gånger under en dag1. Den upprepade körcykeln (Ycht) har en längd av 5,8 km och ingår i tätortsdelen av FTP. Ett mätschema med tre delar har lagts upp: en uppvärm-ningsdel; ett block 1 och ett block 2. Uppvärmningsdelen omfattar fyra Ycht i direkt följd föregångna av soaktiden 16 timmar. De två efterföljande blocken om-fattar vardera fyra grupper av identiska körningar. Varje sådan grupp har föregåtts av en av de fyra soaktiderna ovan i angiven ordning. Antalet Ycht i direkt följd är

1

per grupp tre stycken: körning 1, körning 2 och körning 3. Soaktider och kör-cykler i de två mätblocken är identiska.

Antalet mätbilar uppgår till fyra, två utan och två med katalysator. Mätbilarna, samtliga bensindrivna, har varit av fabrikat VOLVO.

Den totala körsträckan per bil och mätschema, en mätdag, uppgår till ca 162 km. Denna fördelas enligt följande: uppvärmningsdelen ca 23 km och varje block ca 70 km.

De ämnen som ingår i studien är: CO; HC; NOx; CO2; NMHC; PM och

bränsle2. För varje körning finns ett ”säckvärde” per ämne liksom sekundloggning av olika ämnen; av temperaturer i kylvatten, i olja och i katalysator; av körförlopp m.m.

Inför mätningarna förutsattes:

• Att uppvärmningsdelen, 23 km lång, skulle uppnå en stabil utsläppsnivå så att några systematiska skillnader inte skulle finnas mellan de två efter-följande mätblocken

• Att starteffekter i huvudsak skulle pågå under körning 1 per grupp och att en stabil utsläppsnivå skulle kunna nås före körning 3 i samma grupp

Statistiska analyser har utförts baserade på utsläppsdata3 inom block 1 och 2 med följande resultat:

• Att skillnader mellan körning 2 och 3 har påvisats både för bilar utan och med katalysator

• Att samband mellan soaktid och utsläpp har påvisats i följande fall: – bilar utan katalysator: för körning 1, körning 2 och körning 3 – bilar med katalysator: för körning 1

• Att skillnader påvisats mellan block 1 och block 2 för samtliga körningar både för bilar utan katalysator och för bilar med katalysator

Körning 3 i uppvärmningsdelen får ofta i utsläppsberäkningar representera varm-utsläpp. De totala förändringarna från körning 3 i uppvärmningsdelen till medel-värden av utsläpp under körning 3 i block 2 kan kommenteras enligt följande: • Bilar utan katalysator: störst förändring för PM, –46 %, och systematiska

för-ändringar, reduktioner, för övriga ämnen med undantag för CO

• Bilar med katalysator: störst förändring för NOx, 236 %, och systematiska

reduktioner för övriga ämnen

De förutsättningar, vilka studien planerats utifrån, har därmed inte bekräftats av erhållna resultat. Slutsatserna av de påvisade eller systematiska skillnaderna är att beskrivning av starttillägg och varmutsläpp skulle behöva utvecklas jämfört med den hittills vanliga beskrivningen. Beträffande starttillägg gäller behovet ut-släppens förändring under hela kallfasen, vilket då också inbegriper kallfasens längd. Som följd därav har starttillägg beräknats på mer än ett sätt.

Om starttillägg – (utsläpp under körning 1) minus (utsläpp under körning 3) per grupp av körningar – uttrycks relativt kylvattentemperatur gäller följande mellan 20°C och upp till en högsta temperatur motsvarande en soaktid av 10 minuter:

2 _{CO: kolmonoxid; HC: totala kolväten; NO}

x: kväveoxider; CO2: koldioxid; NMHC: kolväten exklusive metan; PM: partiklar.

3

• För bilar utan katalysator:

– CO: negativa värden från ca 50°C och uppåt; absolutvärdet vid den högsta temperaturen utgör ca 20 % av värdet vid 20°C

– HC: en nivå som över 60°C är mycket låg jämfört med vid 20°C

– NOx: en nivå som vid den högsta temperaturen utgör ca 50 % av nivån

vid 20°C

– CO2: en nivå som vid den högsta temperaturen utgör ca 28 % av nivån

vid 20°

– NMHC: motsvarande HC

– PM: negativa värden i intervallet 60–85°C och där värdet vid den högsta temperaturen, ca 95ºC, utgör ca 16 % av värdet vid 20°C

– Bränsle: värdet vid den högsta temperaturen utgör ca 10 % av nivån vid 20°C

• För bilar med katalysator:

– CO: ett värde ungefär lika med noll vid den högsta temperaturen – HC: som CO

– NOx: ett maximum vid ca 75°C, ca 45 % högre än vid ca 20ºC, och ca

noll vid den högsta temperaturen

– CO2: en nivå som vid den högsta temperaturen utgör ca 15 % av nivån

vid 20°C

– NMHC: som HC

– PM: negativa värden över 65°C och ett värde ungefär lika med noll vid den högsta temperaturen

– Bränsle: en nivå vid den högsta temperaturen som utgör ca 12 % av nivån vid 20°C

De samband som observerats mellan 20°C och upp till den högsta kylvatten-temperaturen tyder på att ett hittills, av VTI använt antagande, om starttillägg som går linjärt mot noll då motortemperaturen går mot fullt uppvärmd motor i de flesta fall ger betydande relativa under- eller överskattningar. Överskattningar gäller pri-märt för PM. Den största underskattningen gäller för NOx.

En utökning vid beräkning av starttillägg i mätblocken till att ha med både kör-ning 1 och 2 – (utsläpp under körkör-ning 1 och 2) minus 2 x (utsläpp under körkör-ning 3) – har medfört systematiska förändringar, genomgående ökningar, i följande fall:

• NOx, CO2 och bränsle för bilar utan katalysator

• CO2 och bränsle för bilar med katalysator

I uppvärmningsdelen medför en motsvarande utökning vid beräkning av start-tillägg att dessa förändras med mer än 10 % för alla ämnen med undantag för HC och NMHC. Förändringarna utgörs av ökningar med undantag för CO från bilar utan katalysator och NOx från bilar med katalysator.

Starttilläggen beror också på hur nivån för ”fullt uppvärmd” motor väljs. Om utsläppen för körning 1 i uppvärmningsdelen relateras till körning 3 i block 2 i stället för till körning 3 i uppvärmningsdelen, det vanliga alternativet, förändras starttilläggen mer än 10 % i följande fall:

• Bilar utan katalysator: NOx (29 %); CO2 (27 %); PM (33 %) och bränsle

(14 %)

• Bilar med katalysator: CO (16 %); NOx (-26 %) och PM (51 %)

HC och NMHC påverkas endast marginellt av vald referensnivå vid uppskattning av starttillägg.

Om här erhållna resultat skulle beaktas i nationella utsläppsberäkningar med EMV4 skulle följande förändringar kunna förväntas:

• För bilar utan katalysator: – NOx, reduktion

– Övriga ämnen, bedömning ej möjlig • För bilar med katalysator:

– NOx, ökning

– Övriga ämnen, reduktioner.

För utvecklingen, från mitten av 1980-talet till år 2000, av vägtrafikens NOx

-utsläpp skulle detta medföra att den hittills beräknade reduktionen skulle komma att minska.

Erhållna resultat har påvisat att kallstartutsläppen, för flera ämnen, skulle kunna utgöra en betydligt större andel av de totala utsläppen än vad som hittills beräknats för svenska förhållanden.

De erhållna resultaten med systematiska förändringar av utsläpp upp till en körsträcka av minst ca 90 km under en mätdag, inklusive korta stopp, kan ställas i relation till de nu gällande avgasbestämmelserna för lätta bilar vilka baseras på en körcykel (EC 2000) med en total längd av 11 km. Studiens resultat uttrycker också ett behov av att låta korta motoravstängningar ingå i standardiserade prov, i den mån sådana förekommer i normal körning.

Erhållna resultat måste betraktas som oväntade och kan få betydande kon-sekvenser för utformning både av beräkningsmodeller och av emissionsfaktorer. Även körcykler ingående i avgasbestämmelser skulle kunna behöva anpassas till erhållna resultat. Resultaten bör säkras genom att en motsvarande studie upprepas med flera bilar av samma fabrikat samt med ytterligare bilar av några andra vanliga fabrikat.

Kompletterande mätningar borde föregås av en kvantitativ känslighetsanalys avseende nationella utsläpp baserad på erhållna resultat och på en teoretisk be-skrivning av uppvärmningsprocessen med tillhörande avgasutsläpp.

4 _{EMV är ett datorprogram som används av Naturvårdsverket och Vägverket för uppföljning av} utsläpp från vägtrafik.

Exhaust emission variations for short engine stops and driving time for petrol cars with and without catalyst

by Ulf Hammarström

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

Summary

Extra exhaust emissions after short, 10 to 60 minutes, engine stops appear not to approach zero linearly as the stop time goes to zero. Particularly large deviations are those of NOx and particulates for cars without as well as with catalyst. Extra NOx emissions for catalyst cars are higher for 1 h stop time than both for shorter and longer stop time.

Large systematic variations in emission levels were confirmed for extended driving distance during dynamometer runs also after a 23 km warm-up. From this follows that the NOx reduction with time estimated in national inventories, if these circumstances are considered, can be expected to decrease.

Road traffic exhaust emissions calculated from models, frequently are split into hot engine emissions, cold start emissions and evaporative emissions. The extra emissions at start are expressed as the difference between emissions over a particular driving cycle when the vehicle is run cold started and with warm engine, respectively. Engine stop time as well as meteorological conditions have strong influence on start emissions at various engine temperatures. Available experimental data, suitable for assessment of start emissions, usually reflect a situation where the engine and ambient temperatures are the same. Most frequently the temperature is 20ºC or below, and the engine stop time is at least 12 h. Data including shorter stop times are very scarce.

Start emission data relevant for Swedish conditions, usually are based on measurements during The Federal Test Procedure (FTP). From runs with respectively hot engine and with engine temperature conditioned at ambient, extra start emissions can be deduced.

The present study focuses on the influence of short engine stops – 10, 20, 30, 60 minutes – on exhaust emissions, by repeating the same driving cycle 28 times during one day5. The driving cycle (Ycht) comes from the urban part of FTP. The distance is 5,8 km. The measurement schedule is:

• Warm-up • Part 1 • Part 2

The Warm-up includes 4 Ycht preceded by a 16 h engine stop and with no engine stops in between. The subsequent Part 1 and Part 2 each includes four groups of identical driving cycles, where each group is preceded by one soak time of the four mentioned above and in identical order. The number of Ycht in each group is three: Run 1, Run 2 and Run 3. Soak times and driving cycles of Part 1 and Part 2

5

are identical. The number of measured vehicles was four, all gasoline Volvo cars, two with catalyst and two without. The total distance driven for each car during the test was 162 km: Warm-up 23 km, Part 1 70 km and Part 2 70 km.

The pollutants monitored were: CO, HC, NOx, CO2, NMHC, PM and Fuel

Consumption6. All runs entail a bag value for each pollutant and a second data logging. The second data logging also includes: temperatures of cooling water, of oil and of catalyst; of driving cycle etc.

Measurements were based on:

• That the 23 km Warm-up part reaches a stabilized emission level with no systematic changes in relation with the subsequent Parts 1 and 2

• That start effects should be expected mainly for Run1 (Ycht) of each group and that a stabilized emission level should be reached before Run 3 of each group

Statistical analysis based on emission data7 for Parts 1 and 2 show:

• Those differences between Run 2 and Run 3 were confirmed for cars with as well as without catalyst

• That emissions depend on soak time:

– Non-catalyst cars: during Run1, Run 2 and Run 3 – Catalyst cars: during Run1

• That differences between Part 1 and Part 2 were proved for – Non-catalyst cars: All runs

– Catalyst cars: All runs

Run 3 of the Warm-up part is frequently treated as hot engine emissions. If emissions during the Warm-up part, Run 3, are compared to average emissions of Run 3 in Part 2:

• Non-catalyst cars: Maximum change for PM, -46 %, and systematic changes, reductions, for all others measured substances except for CO

• Catalyst cars: Maximum change for NOx, 236 %, and systematic reductions for

all other measured substances

Conclusions from statistical proof or from systematic differences indicate the need to change the way in which extra start emissions and hot engine emissions are described. Extra start emissions need a continuous description of the emission level during the complete cold phase, including the length of the cold phase. The conditions on which the study was based were not confirmed. As a consequence extra start emissions were estimated in more than one way.

Comments on relating extra start emissions - (emissions for Run 1) minus (emissions for Run 3) for one group of runs - to the temperature of the cooling water, in the interval between 20ºC and the maximum temperature at a soak time of 10 minutes:

6 _{CO: carbon monoxide; HC: hydrocarbons; NO}

x: nitrogen oxides; CO2: carbon dioxide; NMHC: hydrocarbons excluding methane; PM: particles.

7

• Cars without catalysts:

– CO. Negative values from c. 20ºC and upwards. The absolute value at the highest temperature represents a value of c. 20 % of the value at 20ºC – HC. The level after 60ºC is very low compared to the level at 20ºC

– NOx. The level at the highest temperature represents c. 50 % of the level

at 20ºC

– CO2, The level at the highest temperature represents c. 28 % of the level at 20 ºC

– NMHC. Similar to HC

– PM. Negative values from 60ºC to 85ºC with a value at the top temperature, c. 95ºC, representing c. 16 % of the value at 20ºC

– Fuel. The value at the highest temperature represents c. 10 % of the value at 20ºC

• Cars with catalysts:

– CO. At the highest temperature approximately equal to zero – HC. Similar to CO

– NOx. A maximum level at c. 75ºC, c. 45 % higher compared to the level

at 20ºC and a value approximately equal to zero at the highest tempera-ture

– CO2. A level at the highest temperature representing c. 15 % of the level

at 20ºC

– NMHC. Similar to HC

– PM. Negative values after 65ºC and approximately equal to zero at the highest temperature

– Fuel. A level at the highest temperature representing c. 12 % of the level at 20ºC

The relationships of extra start emissions observed between a cooling water temperature of 20ºC and the maximum temperature indicate that a linear approach to zero when the temperature goes up in most cases results in considerable relative over- or underestimations, the former particularly for PM and the latter frequently in the case of NOx.

An extension, when estimating extra start emissions in Part 1 and 2, to both include start 1 and 2 – (emissions in Part 1 and 2) minus 2 x (emissions in Part 3) - results in systematic changes, consistently increases, for:

• NOx, CO2 and fuel if non-catalyst cars

• CO2 and fuel if catalyst cars

In the warm-up part an extension to include both Run 1 and 2 results in systematic changes of at least 10 % in the start emissions for both catalyst and non-catalyst cars. HC and NMHC are not, however, affected. Reduced start emissions resulting from an extension of the number of runs appear in the two cases CO for non-catalyst cars and NOx for catalyst cars. The resulting extra start emissions also

depend on the way the emission level of a hot engine is defined. If emissions during Run 1 of warm-up are compared to Run 3 of Part 2 instead of Run 3 of the warm-up part, start emissions change more than 10 % for:

• Catalyst cars: CO (16 %) NOx (-26 %) and PM (51 %)

HC and NMHC change only marginally with a change of hot engine emission level.

If results of the study would be used in national estimations of exhaust emissions, so far made using EMV8, changes could be expected:

• For Non-catalyst cars – NOx. Decrease

– Other substances. No conclusion possible • For Catalyst cars

– NOx. Increase

– Other substances. Decrease

This could be expected to decrease the NOx reduction from the middle of the

1980´s until year 2000 deduced so far.

The results indicate too, a higher proportion of cold start emissions for most substances. The results of the present study with systematic emission changes up do a distance of at least c. 90 km during one day of measurement, including short stops, could be compared to regulations of exhaust emissions or cars based on the EC2000 driving cycle with a total length of 11 km. The results also express a demand for short engine stops, in representative proportions, in standardized driving cycles.

The obtained results must be regarded as unexpected and might have considerable consequences for both emission models and emission factors.

Driving cycles included in exhaust regulations probably might need to be adjusted in accordance with these results, when they have been confirmed, by repetition of the study with further test vehicles. Prior to any new measurements, however, sensitivity analyses regarding national emissions based on the present results and on a theoretical description of the vehicle warm-up process and related emissions, should be made.

8 _{EMV is a computer model used by the Swedish Environmental Protection Agency and the} Swedish National Road Administration for inventories of exhaust emissions from road traffic.

1

Bakgrund

Vid uppföljning av de totala nationella avgasutsläppen från vägtrafik är det vanligt att göra en indelning i kallstartutsläpp, i varmutsläpp och i avdunstning. Exempelvis används en sådan indelning i den s.k. EMV-modellen, Hammarström och Karlsson (1998). EMV används av Naturvårdsverket (NV) och av Vägverket (VV) för uppföljning av om vägtrafiken klarar uppställda utsläppsmål.

Kallstartutsläpp eller kanske snarare starttillägg brukar definieras som differen-sen mellan att köra en och samma körcykel med en icke fullt uppvärmd motor och att köra samma körcykel med motorn fullt uppvärmd. En schematisk beskrivning av starttillägg ges i figur 1.1 enligt vilken starttillägget representeras av ytan mellan de båda kurvorna ”Kallstart” och ”Fullt uppvärmd motor”. Denna defini-tion används f.n. generellt i Sverige inom vägplanering och för nadefini-tionell uppfölj-ning av avgasutsläpp. Utsläppen från en fullt uppvärmd motor benämns varm-utsläpp. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 4 7 _{10 13 16 19 22} Sträcka U tsl äp p /str äcken h et Kallstart

Fullt uppvärmd motor

Figur 1.1 Schematisk beskrivning av starttillägg: ytan mellan ”Kallstart” och

”Fullt uppvärmd motor”.

Ett exempel på utvecklingen av halter av HC och CO i avgaserna från en kata-lysatorbil efter start redovisas i figur 1.2. I figuren redovisas också den parallella utvecklingen av temperaturer i katalysatorn, i smörjoljan och i kylvattnet.

Avgasmätning VOLVO 940 -100 0 100 200 300 400 500 0 200 400 600 800 1000 Tid (sek) Temper atur (°C )

Katalysator Olja Vatten

CO VOLVO 940 0 2 4 6 8 10 12 0 200 400 600 800 1000 Tid (sek) H a lt (volym %) HC VOLVO 940 0 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000 Tid (sek) H a lt (volym ppm)

Figur 1.2 Utveckling av motortemperaturer och avgashalter efter start. Mätbil:

VOLVO 940 (bensin, katalysator). Lufttemperatur: ca -3ºC. (Hammarström och Edwards, 1999a).

Starttillägg av olika ämnen kan uttryckas som funktion av motortemperatur vid start. För att beskriva genomsnittliga starttillägg för den svenska vägtrafiken söks därför fördelningar av starttemperaturer för alla motorstarter i Sverige per år. Dessa temperaturer är i sin tur funktioner av olika variabler som parkeringsför-hållanden, parkeringstider, användning av motorvärmare, meteorologiska förhåll-anden, fordonsparametrar m.m. Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI) har under en längre tid gjort insatser för en förbättrad beskrivning av starttillägg från bilmotorer omfattande bl.a. följande:

• funktionsbeskrivning av temperaturutveckling i motorer

• funktionsbeskrivning av starttillägg relativt kylvattentemperatur • kartläggning av hur olika parkeringsformer används

• kartläggning av förekomst och användning av elektriska motorvärmare • sammanställning av dataunderlag omfattande:

− starternas fördelning geografiskt, på startplatser och över årets timmar − parkeringstidernas fördelning för olika förutsättningar som starttider m.m. − meteorologiska förhållanden geografiskt och över årets timmar

− mätdata om starttillägg enligt olika källor

För hantering av alla dessa variabler har VTI utvecklat datorprogrammet COLDSTART, se Hammarström och Edwards (1999b).

Temperaturmätningar och resulterande funktionsanpassningar har redovisats i Hammarström och Edwards (1999a). Mätningar har genomförts i fem motorer. Temperaturgivarna har varit placerade i kylvattnet, i oljan och i katalysatorn. Parallellt har också meteorologiska förhållanden registrerats. Mätdata omfattar: uppvärmning under körning; avsvalning efter avstängning och uppvärmning med motorvärmare.

I Hammarström och Henriksson (2000) redovisas en studie avseende använd-ning av olika parkeringsformer samt av förekomst och användanvänd-ning av motor-värmare.

För uppskattning av regionala eller nationella kallstartutsläpp krävs uppgifter om startfrekvenser per timme och parallell information om fördelning av parke-ringstider per sådan timme. Dessa uppgifter har tagits ur den fortlöpande resvane-undersökning som SCB utför sedan 1994, se exempelvis (SCB, 1997).

Tillämpningar med COLDSTART har bl.a. påvisat en stor brist på avgasdata för starter med en kylvattentemperatur i intervallet 20–80°C. Enligt beräkningar med COLDSTART ligger kylvattentemperaturen för en genomsnittlig start för svenska förhållanden i intervallet 30–40°C. I COLDSTART har hittills starttillägg för temperaturintervallet 20–80°C på kylvattnet beskrivits genom att anta linjär utveckling mellan värdet för 20°C och värdet vid fullt uppvärmd motor. Det senare värdet dvs. för fullt uppvärmd motor har satts = 0.

Andra brister avseende hittills använda dataunderlag för personbilars start-tillägg är bl.a. följande:

• partikelutsläppens förändring med motortemperatur vid start saknas generellt

• i huvudsak utsläppsdata för endast en körcykel (FTP), se avsnitt 4.1 • längden på den körcykel, vilken mätdata baseras på

• begreppet starttillägg

• funktionsbeskrivningar av starttillägg med enbart kylvattentemperatur som oberoende variabel

I brist på mätdata avseende partikelutsläppens temperaturberoende har antagits samma variation som för CO.

Problemet med att mätdata huvudsakligen funnits tillgängliga för en körcykel (FTP) har i COLDSTART delvis beaktats genom att utnyttja Joumard och Sérié (1999). I denna referens uttrycks starttillägg både som funktion av hastighet och reslängd. Konstruktionen i COLDSTART bygger på antagandet att den körcykel som tillgängliga mätdata baseras på (FTP) inrymmer hela kallfasen.

Den valda definitionen av starttillägg bygger på förutsättningen att kallfasen ryms inom den första delkörcykeln i FTP: s tätortsdel och att man därefter för en och samma körcykel skulle ha en stabil utsläppsnivå. Det skulle kunna vara så att startutsläpp utgör summan av två delar: en basdel som antingen är föränderlig eller fast beroende på total körsträcka efter start och en överlagrad tidsmässigt kortare fas med en mera avvikande utsläppsnivå.

I COLDSTART används starttillägg som funktion av kylvattentemperatur. Ett rimligt antagande är att en utökning av förklaringsvariablerna till att också om-fatta katalysatorns temperatur i förekommande fall skulle kunna höja förklarings-graden mer än marginellt.

2 Mål

Det primära målet inom föreliggande projekt är att täcka in motorstarter i tempe-raturintervallet 20–80°C, för kylvattentemperatur, med tillräckligt många avgas-mätningar för att kunna beskriva relativa förändringar av starttillägg med start-temperatur i detta start-temperaturområde. Målsättningen är därmed mera inriktad på sambandens principiella karaktär än på representativa absolutnivåer.

3 Problembeskrivning

Avgasutsläpp efter en motorstart skulle kunna indelas i följande faser, se figur 3.1: • en första fas, ”Fas 1”, med kraftigt avvikande utsläpp

• en andra fas, ”Fas 2”, under vilken hela framdrivningssystemet värms upp • en tredje fas, ”Fas 3”, då temperaturer och utsläpp stabiliserats

Utsl. per tidsenhet

Tid Fas 2 Fas 3

Fas 1

Figur 3.1a Schematisk beskrivning av utsläppens tidsberoende efter start.

Utsl. per tidsenh. Fas 3 Fas 2 Fas 1 Tid

Figur 3.1b Schematisk beskrivning av utsläppens tidsberoende efter start.

I de beskrivningar som hittills gjorts av starttillägg har förutsatts att de två första faserna rymts inom körcykler med en längd av ca 5,8 km, vilket följer av FTP-an-vändning.

Varje motoravstängning kan förväntas medföra att en ny fas 1 tillkommer samt att man i större eller mindre utsträckning flyttas tillbaka i fas 2. Om fas 2 är mera

utdragen är en fråga hur långt tillbaka i fasen som fordonet flyttas av en motorstängning. En annan fråga är om merutsläpp relativt fas 2 är beroende av om av-stängning sker i fas 2 eller fas 3. En ytterligare fråga är om den fas 1 som följer efter återstart är beroende på var i fas 2 som avstängning och återstart sker.

Om det finns en fas 2 och man väljer att relatera starttillägg till nivån i fas 3 kan det ha betydelse vilken ordning som avstängningarna av olika längd görs.

Om längden av fas 1 och 2 skulle vara betydligt större än vad som hittills förutsatts uppkommer ett både praktiskt och resursmässigt problem.

Ytterligare komplikationer tillkommer om utsläppsnivån för fullt uppvärmd motor, fas 3, skulle vara högre än utsläppen i fas 1 eller fas 2, se figur 3.1b.

Avgasutsläpp påverkas av temperaturen i bl.a. följande komponenter: • motorblock • kylvatten • olja • katalysator • kraftöverföring • däck

Ett kriterium för ”fullt uppvärmd motor” bör vara att en temperaturstabilisering har nåtts i samtliga dessa komponenter. Vilken nivå som respektive temperatur stabiliseras på är i sin tur en funktion av körcykel, lufttemperatur, väglag9 m.m. För körcykler med ett dominerande inslag av transienter kan det vara så att tempe-raturen i vissa komponenter aldrig stabiliseras. Om samma körförlopp upprepas avser då en stabilisering att medeltemperaturen per körförlopp ligger kvar på samma nivå.

Om det gäller att beskriva hur avgasutsläpp från en ej fullt uppvärmd motor förändras under en körcykel så har körförloppets utveckling under körcykeln betydelse. Här skulle korta identiska sekvenser som upprepas vara att föredra för bedömning av om stabilitet uppnåtts. Detta motiveras av att det då skulle framgå tydligare när temperaturen och utsläppen stabiliseras. I en komponent som kata-lysatorn sker fortlöpande, under hastighetsvariationer, temperaturförändringar som kan vara betydande.

Om starttillägg skall kunna beskrivas i modellform för korta motoravstäng-ningar är en fråga om det är tillräckligt att som hittills använda enbart kylvatten-temperatur som förklaringsvariabel. En komplikation är följande: Efter avstäng-ning av en fullt uppvärmd motor ökar först kylvattentemperaturen för att efter ca 10 minuter åter vara nere på den temperatur som gäller vid avstängning (Hammarström och Edwards, 1999a). Därav kan en högsta kylvattentemperatur vid start förväntas för avstängningstider av ca 5 minuter.

Motortemperaturen vid start beror bl.a. på parkeringstidens längd och på motortemperatur vid den föregående parkeringstidens början. Denna temperatur beror på den föregående körcykelns längd samt av övriga uppräknade förutsätt-ningar.

Vad som skulle vara speciellt användbart vore en beräkningsmodell som be-skriver de momentana utsläppen som funktion av hur temperaturen i motorns

9

Väglag kan påverka temperaturen på två sätt:

• genom ett förändrat färdmotstånd

olika delar varierar. Det finns simuleringsmodeller som arbetar efter sådana principer.

Om starttillägg skall adderas till varmutsläpp i en beräkningsmodell är det naturligtvis viktigt att starttillägg och varmutsläpp baseras på samma definition, med vilket avses att summan av delarna skall motsvara den sanna helheten.

Avgasmätningar för att bilda underlag för beskrivning av starttillägg skall göras vid viss lufttemperatur. För att uppnå representativitet borde utrullning göras för den aktuella lufttemperaturen och inställning av chassidynamometern baseras på sådana utrullningar. Med utrullning bestäms ett fordons färdmotstånd. Dessa färdmotstånd beror bl.a. på kylvattentemperatur. Utrullningar vid en förut-bestämd lufttemperatur blir i praktiken svårt att genomföra om samtliga avgasmät-ningar med olika bilar skall utföras i samma lufttemperatur.

Val av körcykel till en studie som den här aktuella är inte enbart beroende av körcykelns representativitet utan också av vilka körcykler som tillgängliga emissionsfaktorer motsvarar. Tillgängliga svenska data baseras i stor utsträckning på körcykler ingående i FTP.

Enligt en studie av INRETS, Joumard och Sérié (1999), beror starttilläggen bl.a. av medelhastighet. Medelhastigheten påverkar både kallfasens längd och det totala tillägget då motorn körs tillräckligt länge för att stabila temperaturer skall nås. Ett problem är då om de samband som uppskattas i föreliggande studie endast gäller för den aktuella körcykeln (FTP–Ycht). Genom att utföra mätningar med Ycht kan åtminstone dessa nya data kombineras med vad som ingår i COLDSTART. Genom att korrektioner för hastighet och reslängd baserade på Joumard och Sérié (1999) ingår i COLDSTART skulle i princip generella sam-band kunna uppnås.

De beräkningsmodeller som används i Sverige för beskrivning av avgasutsläpp, både kallstart- och varmutsläpp, baseras på att varmutsläppen för viss körcykel har stabiliserats efter en sträcka av ca 5,8 km. Denna distans följer av att endast den första delen av UDC (Yct), se 4.1, har betraktats som kallfas.

Det skulle kunna vara så att utsläpp har ett beroende av körsträcka över ett större intervall än vad som motsvaras av FTP. Om detta skulle vara fallet följer ett behov av en betydande vidareutveckling av befintliga beräkningsmodeller. För beskrivning av varmutsläpp har data som registrerats efter en körning av 5,8 km använts. Någon möjlighet att kontrollera om detta har varit korrekt har inte funnits baserat på mätdata inom FTP. Om man antar att ett stabilt tillstånd inte skulle ha uppnåtts efter 5,8 km föreligger ett problem både med befintliga beräknings-modeller och hur dessa skulle behöva förändras.

Både temperaturutveckling i framdrivningssystem och utsläppens temperatur-beroende kan förväntas bero på bilens skick, vilket inte minst gäller katalysatorn. Vad som söks är de eventuella variationsmönster som gäller för slumpmässigt valt fordon på väg.

För att en studie av detta slag skall bli meningsfull krävs tillräckligt många bilar för att spridningen i medelvärdesbildningar skall kunna hållas på en låg nivå. Man kan också förvänta mera betydande skillnader mellan bilar utan och bilar med katalysator. Bilar utan katalysator står fortfarande, år 2000, för mer än hälften av utsläppen av de reglerade ämnena enligt beräkningar med EMV-modellen.

Ett problem kan förväntas vara att baserat på ett fåtal bilar av respektive kategori kunna uppskatta representativa principiella samband per fordonskategori. Med samband avses då hur det totala utsläppet under en körcykel samvarierar med primärt soaktid eller motortemperatur vid start.

4 Metod

4.1 Uppläggning

De samband som tidigare utvecklats till COLDSTART, starttillägg som funktion av starttemperatur i kylvattnet, baseras på avgasmätningar enligt Yct och Yht i FTP, se figur 4.1. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 100 200 300 400 500 600 Tid (sek) km /h

Figur 4.1 Körförlopp (FTP-Yct/Yht), vilket använts i denna studie.

FTP är beteckningen på den provmetod som bl.a. ingår i de svenska avgasbe-stämmelserna betecknade A14 (Statens Naturvårdsverket, 1992). I FTP ingår kör-cykler för tätort (UDC) och för landsbygd (HDC). Tätortskörning beskrivs av två delar, en med högre och en med lägre hastighet. Vid tillämpning av FTP i Svenska avgasbestämmelser har delen med högre hastighet körts två gånger betecknade Yct och Yht. Mellan dessa båda delar körs delen med lägre hastighet, Yst. Här har valts att benämna själva körcykeln i Yct och Yht med Ycht. Både körförlopp och växlingspunkter ges av provmetoden.

Enligt FTP, som den beskrivs i A14-bestämmelserna, skall prov föregås av en s.k. soaktid. Under soaktiden står fordonet uppställt i ett rum med konstanta temperaturförhållanden under minst 12 h varigenom temperaturerna i de olika fordonskomponenterna asymptotiskt går mot temperaturen hos omgivande luft.

Körcykel Ycht kan kommenteras enligt följande: • omfattar en total tid av 505 sekunder

• omfattar en total körsträcka av 5,8 km

• har en medelhastighet av 41 km/h vilket sannolikt är högre än vad som gäller efter en genomsnittlig svensk start

I föreliggande studie söks starttillägg för temperatrurintervallet 20ºC upp till fullt uppvärmd motor på kylvattnet. Förekomsten av sådana starttemperaturer är ett ut-tryck för att starter sker med kortare parkeringstider än den minsta soaktiden 12 h i FTP. Då sådana parkerings- eller soaktider skall väljas i föreliggande studie kan det vara lämpligt att välja dessa tider så att de i största möjliga utsträckning mot-svarar den verkliga fördelningen av parkeringstider. Som underlag för planering av mätschemat har huvudsakligen följande underlag använts:

• De temperaturfunktioner för uppvärmning som redovisas i Hammarström och Edwards (1999a)

• Tid mellan reselement10

enligt den av SCB (1997) utförda resvaneundersök-ningen

Exempel på avsvalnings- och uppvärmningsförlopp framgår ur Hammarström och Edwards (1999a). En parkeringstid av 1,5 h motsvarar att temperaturen i kylvatt-net sjunker ca 50 % av differensen mellan temperatur vid avstängning och omgiv-ningstemperatur. En halvering av oljetemperaturen, differensen till omgivande luft, tar ca 1,2 h.

En genomgång av resvaneundersökningen avseende avstängningstider, tiden mellan två på varandra följande reselement, gav:

• Att 10,7 % av reselementen har en avstängningstid av maximalt 10 minuter • Att 16,8 % av reselementen har en avstängningstid av maximalt 20 minuter • Att 21,8 % av reselementen har en avstängningstid av maximalt 30 minuter • Att 31,1 % av reselementen har en avstängningstid av maximalt 60minuter • Att ca 50 % av reselementen har en avstängningstid av maximalt 200

minu-ter

Sannolikt utgör dessa avstängningstider överskattningar av den sanna tiden mellan avstängning och återstart. Detta påstående grundas på en sammanställning av res-data enligt två olika metoder, se André et al (1999). De olika metoderna är följande:

• Enkätbaserad resvaneundersökning

• Registrering av körförlopp med fordonsburen utrustning Den andra punkten ger kortare reslängder per start än den första.

Det kan finnas risk för stora variationer i uppmätta avgasemissioner även då samma förhållanden upprepas. Därför har valts att utföra alla mätningar två gånger. Spridningen i mätdata medför i många fall ett behov av fler än två mät-ningar per punkt, men av resursmässiga skäl har inte flera mätmät-ningar kunnat ut-föras.

Varje mätbil har kontrollkörts dagen före provet. Dessa kontrollkörningar har utförts vid 16-tiden. Det efterföljande provet har för varje bil påbörjats följande morgon ca kl. 8.00, vilket innebär en soaktid av ca 16 timmar.

Ett körschema har lagts upp enligt följande: • En första uppvärmningsdel

• Två ”block” med identiska scheman

10

Reselement: När en person byter färdsätt utan att uträtta ett ärende avslutas ett reselement och nästa påbörjas. En delresa, avgränsas av att ärenden uträttas, utgörs av ett eller flera reselement. En huvudresa, börjar och slutar i en basplats och utgörs av en eller flera delresor.

Uppvärmningsdelen omfattar fyra körningar (Ycht) i direkt följd.

De efterföljande två blocken innehåller vardera fyra grupper om vardera 3 x Ycht. Motorn har före varje sådan grupp varit avstängd enligt följande:

• 10 minuter före första gruppen • 20 minuter före andra gruppen • 30 minuter före tredje gruppen • 60 minuter före fjärde gruppen

Denna beskrivning motsvarar ett körschema enligt tabell 4.1.

Tabell 4.1 Körschema för avgasmätningar.

Block Körcykel* Tid (h) Sträcka (km)

Uppvärmning Soak 16 x 60 min. 16

4 x Ycht 0,57 23,2

Mätblock 1 Soak 10 min. 0,17

3 x Ycht 0,42 17,4 Soak 20 min. 0,33 3 x Ycht 0,42 17,4 Soak 30 min. 0,50 3 x Ycht 0,42 17,4 Soak 60 min. 1,0 3 x Ycht 0,42 17,4

Mätblock 2 Soak 10 min. 0,17

3 x Ycht 0,42 17,4 Soak 20 min. 0,33 3 x Ycht 0,42 17,4 Soak 30 min. 0,50 3 x Ycht 0,42 17,4 Soak 60 min. 1,0 3 x Ycht 0,42 17,4 Totalt 23,93 162,4

Valet av 10 minuters avstängning före första gruppen per block har bl.a. moti-verats av att få jämförbarhet med den avstängningstid som ingår i FTP före delkörcykeln Yht.

Körsträckan per bil har varit följande: • uppvärmningsfas: 4 x 5,8 = 23,2 km • block 1, 4 x 3 x 5,8 = 69,6 km • block 2: 4 x 3 x 5,8 = 69,6 km • totalt, 162,4 km

Syftet med att välja systematiskt ökande avstängningstid per block var att på så vis motverka en eventuellt ökande temperatur som följd av ökande körsträcka under mätdagen.

4.2 Mätbilar

För att kartlägga typiska samband mellan utsläpp och startförhållanden bör mät-ningar utföras på slumpmässigt valda fordon på väg och i befintligt skick. Av praktiska och resursmässiga skäl har en sådan urvalsmetod inte varit möjlig att genomföra. I stället har urvalet begränsats till bilar tillgängliga hos MTC AB och hos VTI.

Mätbilarna bör vara så vanliga som möjligt. I begreppet ”vanliga” ingår även motorfamilj.

Begränsningen till två bilar per kategori utan och med katalysator medför sam-tidigt ett behov av att eliminera extremer och icke-representativa fordon. Därför har valts att genomföra funktionskontroll före mätningarna och med nödvändiga justeringar efter behov. Syftet med dessa kontroller är att undvika extrema och icke-representativa resultat som följd av fel på bilarna. Därigenom bör mera representativa resultat kunna uppnås med det starkt begränsade antalet mätbilar.

Genomgående har samma bränslekvalitet använts per fordonskategori.

En känslig punkt för resulterande utsläpp är hanteringen av den manuella choken för bilar utan katalysator. Denna hantering har följt anvisningarna som följer med provmetoden.

Eftersom studien handlar om temperaturberoende effekter är det viktigt hur fläktar används. Dessa mätförhållanden följer den provmetod som ingår i A14-be-stämmelserna (Statens Naturvårdsverk, 1992).

Den valda inställningen av chassidynamometern skall vara känd så att under-laget kan utnyttjas i annat sammanhang för exempelvis validering av beräknings-modeller av den typ typ som VETO (Hammarström och Karlsson, 1987) eller lik-nande representerar.

I syfte att reducera spridningen i mätdata och därmed öka sannolikheten för att kunna påvisa eventuella samband gjordes en avgränsning till ett vanligt bil-fabrikat, VOLVO. De utvalda mätbilarna beskrivs i tabell 4.2.

Tabell 4.2 Mätbilar. Fabrikat Reg.nr. Modell-kod Års-modell Motor-effekt kW Brutto-vikt* kg Växellåda Vägmätar-ställning*** km Övrigt VOLVO LHW967 240 1984 82 1360 M5 (manuell) 253679 Manuell choke VOLVO LJA334 240 1982 78 1360 M4 (manuell) 139257 Manuell choke VOLVO MTC3 850 1994 125** 1590 A4 (automatisk) 146074 VOLVO MTC4 850 GLT 1995 125** 1590 A4 (automatisk) 162605 * Svängmassa , chassidynamometer ** Samma motorfamilj

***Början av varje mätschema.

Båda katalysatorbilarna har automatlådor. Växlingspunkterna i dessa kan skilja både mellan bilarna och mellan kall- och varmfas11. Detta skulle då kunna ha en förstärkande effekt på temperaturberoendet. Att bilarna har automatlådor innebär ett avsteg från att använda så vanliga bilar som möjligt, vilket även bör omfatta kraftöverföringen.

Mätningarna har påvisat höga CO-utsläpp för MTC3. För att kunna bedöma om gränsvärdet överskrids krävs mätningar för samtliga tre delar av FTP: s UDC-del. Vad som finns tillgängligt i mätdata är Yct och Yht. Om man antar att utsläpp enligt Ys och Yht är någorlunda lika kan utsläppen för Ys uppskattas genom att välja samma utsläpp som för Yht. Därmed kan emissionsfaktorer uppskattas på den form som gäller i A14-bestämmelserna. Den uppskattade utsläppsnivån på ca 2,4 g/km kan då jämföras med gränsvärdena 2,1 och 2,6 g/km vid 80 000 och 160 000 km. Därmed är det tveksamt om denna bil uppfyller de eftersträvade förutsättningarna. Skillnaderna i utsläpp är mycket stora mellan MTC3 och MTC4, se avsnitt 4.4.

4.3 Mätutrustning

Vad som registrerats av mätutrustningen framgår ur de i bilaga 1 bifogade mät-protokollen. Delvis baseras dessa värden på sekundloggning (1 Hz).

En beskrivning av mätutrustningen hos MTC12 redovisas i bilaga 2. Som komplettering kan nämnas att chassidynamometerns rullar haft en diameter av 500 mm13.

Inställningen av chassidynamometern har för VOLVO 240 varit 0 Nm vid 0 km/h, vilket inte ger en korrekt beskrivning av färdmotstånd vid låg hastighet.

11

Kommentar från Anders Laveskog, MTC AB.

12

MTC är ackrediterat av SWEDAC enligt den europeiska standarden EN 45001.

13

Inställning av chassidynamometer enligt MTC:

• VOLVO 240:

–effekt för vattenbromsen vid 80 km/h, 7,0 kW –vid 0 km/h, 0 Nm

–svängmassa, 1360 kg

Då hastigheten går mot noll bör färdmotståndet gå mot en nivå motsvarande rullmotståndet.

Om avgasmätning skall utföras för en lufttemperatur av 20°C borde också utrullning göras vid denna temperatur14. Utrullningar har av resursmässiga skäl inte kunnat genomföras.

Ett problem inträffade med en kontakt till temperaturgivaren för olja i ett av proven. Detta resulterade i ett bortfall av temperaturdata för olja. Bortfallet var aldrig totalt utan temperaturobservationer har funnits för viss del av varje körning. I detta fall har, för oljetemperaturen, valts att använda medianer per körning i stället för aritmetiska medelvärden.

4.4 Mätdata

Mätdata är av två kategorier: säckvärden och sekundlogg.

För varje grupp om tre ”Ycht:er” per mätbil finns från MTC ett protokoll, vilket ger totalt nio protokoll per bil. Varje enskild mätning, motsvarande ett kört förlopp enligt figur 4.1, finns särredovisad i dessa protokoll. Protokollen redovisas i bilaga 1. Integrerade mätvärden per Ycht , säckvärden, saknas för den fjärde kör-ningen i uppvärmningsdelen15.

Vad som används ur protokollen för analys är följande: kolmonoxid (CO); kol-väten (HC); kväveoxider (NOx); koldioxid (CO2); kolväten exklusive metan

(NMHC); partiklar (PM); bränsleförbrukning (bf) och körsträcka. De olika ämnena har i protokollen redovisats per km medan det är total mängd per Ycht som söks. Baserat på de sträckspecifika värdena och körsträcka per Ycht har total mängd per Ycht beräknats.

Mellan körningarna i varje grupp har det av praktiska skäl funnits en kortare tomgångstid, utöver själva körcykeln. Dessa tomgångsutsläpp ingår inte i säck-värdena. Säckvärdena är avgränsade till avgasutsläpp under Ycht. Det kan finnas risk för att temperaturen i katalysatorn under dessa tomgångsperioder sjunkit och påverkat utsläppen under den efterföljande körcykeln.

Utöver de i bilaga 1 redovisade data per Ycht finns mätdata på sekundnivå. Vad som använts ur sekundloggen är följande:

• massemissioner per sekund för jämförelse med värdena enligt protokollen • kylvattentemperatur

• oljetemperatur

• avgastemperatur, vilken förutsatts kunna motsvara temperaturen på kata-lysatorn i förekommande fall

14

Utrullning för kalibrering av chassidynamometer: mätbilen frirullar, frikopplad växellåda och ingen användning av hjulbromsar, från viss utgångshastighet på en horisontell och rak vägsträcka. Retardationsförloppet, vilket är ett uttryck för färdmotstånden, registreras. Genom att ställa in chassidynamometern efter utrullningen efterliknas färdmotstånden på väg. Dessa motstånd är bl.a. beroende av den omgivande lufttemperaturen.

15

Orsaken till att integrerade värden saknas för den fjärde körningen är att den standardiserade provmetoden motsvarar tre körningar och att mätutrustningen hos MTC är anpassad till detta behov.

Dessa sekundloggade data har bearbetats enligt följande: • ackumulerade avgasvärden per Ycht

• kylvattentemperatur avseende följande: medelvärde totalt; början och slut • oljetemperatur med följande: medelvärde totalt; början och slut

• avgastemperatur för katalysatorbilar med följande medelvärden: medelvärde totalt; början och slut

För de tre sista punkterna har ”början” och ”slut” definierats som temperaturen den första respektive den sista sekunden i varje körning, enligt figur 4.1. Redo-visade NOx-data enligt protokollen är korrigerade för luftfuktighet, vilket inte

gäller för NOx i sekundloggen. Avgasutsläppen enligt sekundloggen har inte

an-vänts för analys och har inte heller redovisats i denna dokumentation.

I bilaga 3 redovisas utsläpp per körning i diagramform. Ur dessa data och ur protokollen framgår vissa extremvärden för bilar utan katalysator speciellt i följande fall:

• PM för körning 3 i den första gruppen i det andra blocket (LHW967)

• CO, HC, NMHC och PM i den första körningen i den fjärde gruppen i det första blocket (LJA334)

Det extrema PM-värdet för (LHW967), övriga ämnen ”normala”, kan bero på att någon förorening (PM) lossnat antingen i bilens avgassystem eller i analysinstru-menten. Beträffande det extrema utfallet för (LJA334) skulle hanteringen av choken kunna vara en möjlig förklaring.

De processer vilka registrerats i de utförda mätningarna bör i huvudsak kunna förklaras fysikaliskt eller kemiskt. Inslaget av stokastiska yttringar borde vara litet under förutsättning av att inga fel uppkommit i utrustningen eller i handhavandet av denna. Eftersom det inte finns något som talar för enstaka kraftigt avvikande värden i dessa processer är det tveksamt om extrema värden skall ingå i analyserna av erhållna data. I samråd med MTC AB har valts att utelämna de påtalade extrema mätvärdena.

Lambdavärden har beräknats för de två katalysatorbilarna och för en av bilarna utan katalysator, den av årsmodell 1984. För en av bilarna utan katalysator, den av årsmodell 1982, har mätning av lambdavärden utförts.

Skillnaden i utsläppsnivåer mellan de två katalysatorbilarna är mycket stor i vissa fall. Följande kommentarer kan ges avseende ”varmutsläpp”:

• tveksamt om ”MTC3” skulle klara gränsvärdet för CO. Nivån ca 10 gånger högre än nivån för ”MTC4”

• ”MTC3” har också väsentligt högre utsläppsnivåer av HC och NMHC respektive väsentligt lägre nivå av NOx och PM än för ”MTC4”

4.5 Statistisk

analys

De statistiska analyserna har omfattat: • Korrelationsanalys

• Icke-parametriska test • Funktionsanpassning

I analyserna utgörs genomgående en observation av det totala utsläppet av visst ämne per körning (Ycht). De statistiska analyserna har i huvudsak avgränsats till data för block 1 och 2. Observationerna motsvarar systematiska förändringar i

förutsättningar avseende olika soaktider och av att fordonet successivt får en allt längre ackumulerad körsträcka under mätdagen. Den ackumulerade körsträckan har i funktionsanpassningen uttryckts genom en ”0/1”-variabel, vilken i de följande tabellerna betecknats med ”Block”. Motivet för att välja 0/1-variabeln i stället för ackumulerad sträcka har varit för att undvika beroende med soaktid.

Korrelationsvärden söks per ämne relativt variablerna: soaktid, block, olje-temperatur, vattentemperatur och katalysatortemperatur. Korrelationsanalysen kan ses som ett första steg mot att vidareutveckla funktioner för beskrivning av start-tillägg.

Icke parametriska test omfattar följande:

• Om det finns några statistiskt påvisbara skillnader mellan utsläppen under körning 2 och körning 3 per mätgrupp

• Om det finns ett eventuellt påvisbart beroende mellan soaktid och utsläpp under den 1:a, den 2:a respektive den 3:e körningen i block 1 och 2

• Om det finns påvisbara skillnader i utsläpp per fordon och körning mellan block 1 och block 2

Om skillnader kan påvisas mellan körning 2 och 3 så har stabilisering tidigast uppnåtts under körning 3 per grupp. Parvisa jämförelser har utförts per fordon och grupp av körningar. Per fordon och ämne kan 8 sådana jämförelser utföras. Test-variabeln har räknats upp med värdet ”ett” om utsläpp under körning 2 varit större än under körning 3. Extrema utfall tyder på att en stabil utsläppsnivå inte uppnåtts under körning 2.

Om ett stabilt tillstånd avseende utsläpp skulle ha uppnåtts under körning 3 per grupp skulle man kunna förvänta att något samband mellan utsläppsnivå och soaktid inte skulle kunna påvisas. Utsläppsvärden per bil, per block och klass av körning – klass 1, klass 2 och klass 3 – har tilldelats rangnummer. Dessa rang-nummer har jämförts med rangrang-nummer kopplade till soaktidens längd. Små alter-nativt stora skillnader mellan dessa rangvärden är uttryck för ett eventuellt bero-ende mellan utsläpp och soaktid16.

Mätningarna har indelats i två block med identiska mätserier och med syfte att genom medelvärdesbildning över blocken reducera spridningen i uppskattade ut-släppsvärden. Denna uppläggning baserades på förutsättningen att det inte skulle finnas några påvisbara skillnader i utsläppsnivåer mellan block 1 och 2. Det kan därmed vara lämpligt att testa om denna förutsättning kan accepteras. För varje soaktid i varje block har tre mätningar (Ycht) i direkt följd genomförts. Parvisa jämförelser mellan sådana mätningar i respektive block har genomförts. Detta ger 8 par per körning – körning 1, 2 eller 3 – per ämne och per bilkategori.

Som ett komplement till den mera renodlade statistiska analysen används här begreppet ”systematisk” skillnad. I detta fall betraktas medelvärden per fordons-kategori och körning i stället för enskilda värden per bil. Om man då exempelvis betraktar skillnader i utsläpp per körning mellan block 1 och 2 så kan fyra differenser bildas för körning 3. En systematisk skillnad sägs här gälla om alla dessa fyra differenser har samma tecken. Därmed föreligger exempelvis ingen systematisk skillnad om någon av dessa differenser skulle vara lika med noll. Skillnaden skulle i detta fall i princip även kunna sägas vara påvisbar, men med reservation för antalet observationer. Nackdelen med ”systematisk” är att bidraget

16

S.k. Spearman-test, se Bickel och Doksum (1977). Konfidensgränserna för testvariabeln har valts så att säkerheten i ett påstående som “påvisats” är 95 %.

till medelvärdet från respektive bil kan ha mycket olika storlek. Därmed kan resultaten från en bil dominera en sådan jämförelse. Här har bedömts att jäm-förelser på nivån enskild bil inom viss kategori är starkare än på medelvärdes-nivån. Normalt bör en påvisbar effekt medföra en systematisk skillnad enligt given definition. Om en skillnad är statistiskt icke påvisbar men systematisk kan ett tolkningsproblem följa. Eftersom tabellredovisningen görs på medelvärdes-nivån har det ändå bedömts ge mera för- än nackdelar att ha med begreppet ”systematisk”.

5 Resultat

5.1

Totala utsläpp per körning

5.1.1 Allmän beskrivning av mätdata baserad på diagram

Mätdata har sammanställts i form av stapeldiagram per bil och ämne, se bilaga 3. Ett diagram motsvarar ett ämne och ett fordon. En stapel motsvarar mängd utsläpp per körning. I varje diagram ingår nio grupper av staplar med tre Ycht: en per grupp. Den första gruppen, uppvärmningsdelen, föregås av att hela fordonet konditioneras under ca 16 h till en temperatur av ca 20°C hos omgivande luft17. Därefter följer de två blocken med fyra grupper om vardera tre mätningar per grupp. Varje första stapel per grupp efter den första gruppen, uppvärmningsdelen, motsvarar ”halvvarma” starter med soaktiderna 10, 20, 30 och 60 minuter per block. Andra staplar än den 1: a per grupp i de två blocken motsvarar vad som ofta brukar betraktas som fullt driftvarm motor. De ämnen som ingår i redovis-ningen, bilaga 3, är följande: CO, HC, NOx, CO2 och PM.

Diagrammen för bilar utan katalysator i bilaga 3, figur 1–10, kan kommenteras enligt följande:

• CO: extremvärde för bil ”LJA” i den 4: e gruppen i block 1; högsta värde i övrigt för körning 1 i uppvärmningen; för ena bilen avtagande och för den andra svagt ökande utsläpp med ökande körsträcka; för en bil är alltid utsläppen i körning 1 lägre än för körning 3 i blocken

• HC: extremvärde för bil ”LJA” i den 4:e gruppen i block 1; ett högsta värde för körning 1 i uppvärmningsdelen för båda bilarna; tydligt avtagande ut-släpp med körsträcka för den ena bilen

• NOx: utsläpp i körning 1 i uppvärmningen är större än i övriga grupper; för

ena bilen tydligt ökande och för den andra svagt avtagande utsläpp med körsträcka; körning 1 alltid större än 2 och 3 i varje grupp

• CO2: utsläpp i körning 1, uppvärmningsdelen, är störst; ena bilen har ökande

och andra svagt avtagande utsläpp med ökande körsträcka; utsläpp i körning 1 är alltid större än körning 2 och 3 per grupp

• PM: extremvärde för bil ”LJA” i den 4:e gruppen i block 1 och för körning 3 i första gruppen i block 2 (har utgått ur analyserna); körning 1 i uppvärm-ningen störst; övriga körning 1 har ofta lägre utsläpp än körning 2 och 3 per grupp; avtagande utsläpp med ökande körsträcka

Diagrammen för katalysatorbilarna i bilaga 3, figur 11–20, kan kommenteras enligt följande:

• CO: störst utsläpp för körning 1 i uppvärmningen; körning 1 har i allmänhet störst utsläpp inom blocken; avtagande utsläpp med körsträcka för ena bilen och inget urskiljbart sådant samband för den andra

• HC: störst utsläpp för körning 1 i uppvärmningen; högre utsläpp i första än i andra blocket; per block ökande utsläpp i 1:a körningen per grupp med ökande soaktid

• NOx: högre utsläpp i blocken än i den inledande uppvärmningsfasen; högre

utsläpp i slutet än i början av varje block; i genomsnitt högre utsläpp i det andra än i det första blocket

17

Uppvärmningsdelen omfattar fyra körningar av vilka endast de tre första har redovisats, se avsnitt 4.4.

• CO2: nivån har stabiliserats efter den inledande uppvärmningsfasen; ökande

skillnad med ökande soaktid mellan 1:a och 3:e stapeln per grupp inom varje block

• PM: störst utsläpp för körning 1 i uppvärmningsdelen; oftast ökande utsläpp inom varje grupp; lägre utsläpp i block 2 än i block 1 för ena bilen men ingen skillnad mellan blocken för den andra bilen

En inte ovanlig situation enligt diagrammen i bilaga 3 är att det finns vad som kan uppfattas som en systematisk ökning för den ena och en systematisk minskning av staplarna för den andra bilen då körsträckan ökar. Detta kan tolkas på två sätt: • Att det i genomsnitt inte sker någon förändring

• Att det finns en systematisk förändring per bil i någon riktning

Den andra tolkningen kan ha stor betydelse vid modellutveckling och validering av mekanistiska modeller för simulering av avgasutsläpp.

5.1.2 Statistisk analys

Korrelationsanalyserna har indelats med avseende på följande:

• Bilkategori, med och utan katalysator • Körning 1, 2 och 3

Soaktiden kan förväntas ha en stark korrelation med temperaturerna i de olika delarna av motorn, åtminstone under den första körningen per mätgrupp. Detta gäller både för bilar utan och med katalysator. Korrelationerna mellan soaktid och temperatur, ”total” eller ”början”, har alltid en absolutnivå större än 0,6 och är alltid negativa. För körning 2 och 3 är för samma variabler korrelationernas absolutvärden endast större än 0,5 i något fall.

Redovisningen har per ämne avgränsats till de tre högsta absolutnivåerna av beräknade korrelationer18 och till värden vars absolutbelopp är större än 0,5. För komponenterna olja, kylvatten och katalysator finns tre olika temperaturvärden per ”komponent”, se avsnitt 4.4. Om fler än ett av de största absolutvärdena avser samma komponent redovisas endast det värde som har störst absolutbelopp per komponent.

Resultatet av korrelationsanalysen för bilar utan katalysator har redovisats i tabell 5.1–5.3.

18

Tabell 5.1 Korrelationsvärden, de tre största per ämne med absolutbelopp större

än 0,5, för bilar utan katalysator. Avser körning 1 per grupp i block 1 och 2. Soaktid Block Oljetemperatur (ºC)* Vattentemperatur

(ºC) * Ämne

(h) (0/1) Början Totalt Slutet Början Totalt Slutet

CO (g/körning) -0,632 HC (g/körning) -0,586 NOx (g/körning) -0,777 CO2 (g/körning) –0,843 NMHC (g/körning) -0,604 PM (g/körning) 0,765 0,591 Bränsle (l/körning) -0,704

* Början: temperatur under 1:a sekunden per körning. Totalt: medeltemperatur per körning. Slutet: temperatur under sista sekunden per körning.

Tabell 5.2 Korrelationsvärden, de tre största per ämne med absolutbelopp större

än 0,5, för bilar utan katalysator. Avser körning 2 per grupp i block 1 och 2. Soaktid Block Oljetemperatur (ºC)* Vattentemperatur

(ºC) * Ämne

(h) (0/1) Början Totalt Slutet Början Totalt Slutet

CO (g/körning) HC (g/ körning) -0,548 NOx (g/körning) -0,975 -0,979 CO2 (g/körning) -0,979 -0,977 NMHC (g/körning) -0,539 PM (g/körning) 0,826 0,795 Bränsle (l/körning) -0,950 -0,965

* Början: temperatur under 1:a sekunden per körning. Totalt: medeltemperatur per körning. Slutet: temperatur under sista sekunden per körning.

Tabell 5.3 Korrelationsvärden, de tre största per ämne med absolutbelopp större

än 0,5, för bilar utan katalysator. Avser körning 3 per grupp i block 1 och 2. Soaktid Block Oljetemperatur (ºC)* Vattentemperatur (ºC)* Ämne

(h) (0/1) Början Totalt Slutet Början Totalt Slutet

CO (g/körning) 0,694 0,562 HC (g/körning) -0,542 NOx (g/körning) -0,982 -0,981 CO2 (g/körning) -0,927 -0,934 NMHC (g/körning) -0,532 PM (g/körning) Bränsle (l/körning) -0,904 -0,933

* Början: temperatur under 1:a sekunden per körning. Totalt: medeltemperatur per körning. Slutet: temperatur under sista sekunden per körning.

Betydelsen av potentiella förklaringsvariabler för utsläppen från bilar med kata-lysator enligt korrelationsanalysen:

• Soaktid finns endast med för körning 1, CO

• Blockvariabeln finns med för två ämnen, HC och NMHC, per körning

• Olja finns med för fyra olika ämnen per körning. Ämnen som kommit med för samtliga körningar är NOx, CO2 och bf. För körning 1 är det genomgående

”slutet” som kommit med medan det för körning 3 är ”totalt” eller ”början” • Betydelsen av vattentemperatur är större i den andra och tredje körningen än i

den första. Temperatur ”Totalt” har högre korrelationer än temperaturer i ”Början” och i ”Slutet”

Resultatet av korrelationsanalysen för bilar med katalysator har redovisats i tabell 5.4–5.6.