Von der Emissionsmessung am Einzelfahrzeug zum Emissionsverhalten für Fahrzeugflotten

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1 Von der Emissionsmessung am Einzelfahrzeug zum Emissionsverhalten für Fahrzeugflotten Stefan Hausberger, SSM - Veranstaltung 35 Jahre Schadstoffreduktion bei Fahrzeugen: eine Erfolgsgeschichte Campus Sursee, 22. September 21 Professor Horst Cerjak,

2 Inhalt Einleitung Von der Messung zum Emissionsmodell Vom Emissionsmodell zum Emissionsfaktor Unsicherheiten Beispiel für Ergebnisse Zusammenfassung

3 Einleitung Der Verkehr hat einen hohen Nutzen für Gesellschaft und für Einzelne wachsende Verkehrsnachfrage. Verkehrswachstum bringt auch Probleme (CO 2, Schadstoffe, Lärm). Luftgütemessungen zeigen: Maßnahmen zur Senkung der Umwelteinflüsse greifen merklich. Bei CO 2 und NO x aber (noch) deutliche Zielabweichungen in EU. Emissions-, Verkehrs- und Luftgütemodelle helfen: * die relevanten Quellen zu identifizieren, * die Zusammenhänge besser zu verstehen, * die zukünftige Entwicklung abzuschätzen, * vernünftige Maßnahmen abzuleiten und zu optimieren. Dafür müssen die Modelle die Realität ausreichend genau abbilden.

4 Messmethoden Kfz, Testzyklen 6 Rollenprüfstand Motorprüfstand PEMS Portable Emission Measurement System Velocity [km/h] Time [s] Motor, Testzyklen Engine power and speed [-] Time [s] Kfz, Route INPUT engine speed engine power NOx [g/s] Verbrauch, Emissionen Leistung, Drehzahl,.. Mittelwert/Zyklus & zeitaufgelöst Time [s] OUTPUT NOx Velocity km/h

5 Beispiel Messergebnisse Emissionsverhalten ist stark von der Bedatung der Steuer- und Regelelektronik abhängig starke Streuungen. HC [g/km] HC-Emissionen in verschiedenen Testzyklen von 21 EURO 4 Benzin-PKW Average cycle speed [km/h] jeder Punkt zeigt ein PKW- Modell Ein Emissionsmodell braucht viele gemessene KFZ bzw. Motoren

6 Von der Messung zum Emissionsmodell Einfachster Ansatz: Average Speed Modelle (e.g. COPERT) Regressionsgleichung durch die Messwerte bei verschiedenen Zyklen Emission [g/km] = A + B * v + C * v² HC [g/km] EURO 4 gasoline Average cycle speed [km/h] Each dot represents one vehicle model Modell entnimmt dann Emissionsfaktor [g/km] gemäß aktueller Geschwindigkeit. Vorteil: einfach, viele verschiedene Messdaten integrierbar. Nachteil: einfach. Gibt Trend gemäß verwendeter Messdaten. Änderungen in Zyklusdynamik, Fahrerverhalten, Längsneigung, Beladung, etc. sind nicht abbildbar.

7 P e / P _ r a t e d. Komplexer Ansatz: Längsdynamik + Motor-Emissionskennfeld (z.b. PHEM) Sekündliche Messwerte werden nach Motorleistung (P e ) und Drehzahl (n) in Kennfeld eingerastert. NOx [g/s] NOx 7 Velocity 6 Acceleration Time [s] km/h, m/s² NOx[(g/h)/kW_ratedPower] Pe/P_rated n_norm Modell berechnet Pe und n Verlauf und interpoliert zugehörige Emissionen aus Kennfeld. Vorteil: Kann alle Kfz und Fahrzustände abbilden (Fahrbahnsteigung, Beladung, Gangschaltverhalten, Kaltstart, Hybridfahrzeuge, ) Nachteil: Aufwändig zu bedaten.

8 Derzeitige Situation in der EU Seit ca. 1 Jahren EU-weite Harmonisierung der Messungen und Modelle in Arbeit. ERMES (Europen Research Group on Mobile Emission Sources) als Vereinigung der Geldgeber und Bearbeiter seit Anfang 21. JRC + Infras + TUG + LAT + DAC als Koordinatoren Datenfluss: Nationale Messdaten Average speed model COPERT Gemeinsame Datenbank PHEM Fahrverhaltensuntersuchungen repräsentative Zyklen HBEFA Nationale Modelle

9 Fahrzyklus in 1Hz Fahrzeugdaten Emissions-Kennfelder E m Geschw. Steigung Fahrwiderstände Antriebsstrangverluste P e n Gang Übersetzungen Schaltmodell Emissionen Kraftstoffverbrauch Dynamik- Korrektur Thermisches Verhalten des Katalysators Kalt Start SCR FC [kg/h] time [s] CO [g/h]

10 Kennfelderstellung Motorleistung Emissions-Kennfelder Motordrehzahl Emissionen E m fu e l c o n s u m p t io n n o r m a lis e d e n g in e p o w e r n o r m a lis e d e n g in e s p e e d P e n t im e [ s ] -.4 Zur Erstellung der Emissions-Kennfelder werden heute aus Kostengründen meist instationäre Messung verwendet ( 1 Hz) Prüfstandspezifische Korrektur der Gaslaufzeit und von Mischungseffekten notwendig (zeitliche Zuordnung Emissionsmesswert zu Pe und n). Kennfeldbelegung mit Beutelwerten ist nicht möglich

11 PHEM Fahrzeugdaten erstellt für HBEFA Kategorien Fahrzeug- Kategorien Kraftstoff Gewichts- Klassen Emissions- Standards Emissionsminderung PKW Benzin LNF N1 I Pre EURO 1 DPF LNF Diesel LNF N1 II EURO 1 SCR Solo-LKW LNF N1 III EURO 2 AGR Last- / Sattelzug LKW 7.5t EURO 3 Reisebus LKW 7.5t - 12t EURO 4 Stadtbus LKW 12t - 14t EURO 5... EURO 6

12 PHEM Emissionskennfelder erstellt für HBEFA PKW Kennfelderstellung aus transienten Messungen von TUG und EMPA Kalibrierung mit Beutelwerten aus der ARTEMIS 3 DB Benzin Diesel Benzin Diesel EURO 2 * EURO EURO 1 3* 3 * EURO EURO 2 4* 4 4 EURO EURO EURO EURO EURO EURO 5 * 1* 1 EURO 5 Summe Summe

13 PHEM Emissionskennfelder erstellt für HBEFA LKW Messdaten-Basis für LKW-Kennfelder Motorpr. Rollenpr. On-Board Pre EURO EURO I EURO II EURO III EURO IV EURO V EURO VI Summe 4 (2) 13 (2) 21 (1) 1 27 (13) 2 (2) (29) 6 7 Werte in Klammern: Messungen auch in transienten Fahrzyklen Bisher kein (zusätzlicher) umfangreicher Datensatz für Kalibrierung vorhanden

14 Unsicherheiten in den Ergebnissen 1. Limitierte Anzahl an getesteten Kfz 2. Nicht perfektes Modell 3. Fehler in den Messdaten Erstmals grobe Unsicherheitsanalyse für HBEFA 3.1 Größenordnung von 1. und 2. ähnlich; von 3. unbekannt Gesamtunsicherheit lokaler Emissionswert: Verbrauch ca. +/-5% fuel consumption [g/km] measurement PHEM CADC gesamt CADC urban CADC road CADC motorway_15 Bsp. Simulation vs. Messung PW EU4 BAB EUDC FTP75_II FTP75_III IUFC15_III categorie 1 IUFC15_III categorie 2 IUFC15_III categorie 3 IUFC15_III categorie 4 Ra_I Ra_III Rb_III R1_I R1_II R1_III R2_I R2_II R2_III R3_I R3_II R3_III R4_I R4_II R4_III NOx ca. +/-2% PM, HC ca. +/-3% CO > 4% Stichprobenanzahl und daher Unsicherheit schwankt stark je Kfz Schicht!

15 Berechnung der Basisemissionsfaktoren Fahrzyklus in 1Hz Fahrzeugdaten Kennfelder Emissionen FC [kg/h] CO [g/h] time [s] Fahrzyklen Durchschnittsfahrzeuge Emissionsfaktoren 15 PKW 45 LNF 513 LKW CO2, FC NOx, NO2 HC CO PM, PN 14 PKW Em-F 43 LNF Em-F 7 8 LKW Em-F 14 Fahrzyklen 573 Fahrzeuge 8 Komponenten 8.4 Mio.Em-Faktoren

16 HBEFA Basis - Emissionsfaktoren Beispiel: NOx Last- / Sattelzug 34t - 4t GVW 5% Ladung Emissionsfaktor [g/km] Euro Euro III Euro III III Euro Euro IV - IV EGR - EGR Euro IV - SCR Euro IV - SCR Euro V - EGR (prog.) Euro V - SCR Euro VI (prog.) Zyklusdurchschnittsgeschwindigkeit [km/h]

17 HBEFA Basis - Emissionsfaktoren Beispiel: NOx Diesel PKW NOx [g/km] EU EU1 EU2 EU3 EU4 EU5 EU Zyklusdurchschnittsgeschwindigkeit [km/h]

18 Sonstige Anwendungen von PHEM Ziel: Unterstützung der Optimierbarkeit des Gesamtsystems aus Motor, Kfz, Infrastruktur (LSA, VBA,..) und Fahrer bezüglich Effizienz und Emissionen. Komplexitäten und Regelmöglichkeiten werden steigen (Elektrifizierung Antriebstrang, geregelte LSA, C2X-Kommunikation,..) Gemeinsame Betrachtungen zur Optimierung werden wertvoller E n m = veh= 1s= 1 e veh, s = Min. Modell Simulation Validierung Optimierungsalgorithmen Ziele für Steuer- und Regelungssysteme

19 Zusammenfassung Emissionsfaktoren für Fahrzeugflotten brauchen viele Messwerte. Dazu werden EU-weit Messdaten gesammelt (über 12 verschiedene Typen in Real World Zyklen bisher, Koordination dazu in Optimierungsphase ) Durchschnittliches Fahrverhalten in der EU noch nicht ausreichend bekannt repräsentative Fahrzyklen noch nicht endgültig. Simulation mit PHEM erlaubt nachträgliche Änderung der Fahrzyklen und des Schaltverhaltens und erlaubt so einfache Updates. Geschachtelter Modellansatz PHEM HBEFA COPERT bisher erfolgreich. Emissionsfaktoren sinken insgesamt deutlich. Problematisch ist neben CO 2 aber noch NO x (für Nutzfahrzeuge noch Innerorts, bei Diesel-PKW insgesamt und speziell Autobahn). Das Emissionsverhalten von EURO 6 im realen Verkehr wird für die Zielereichung der NO 2 -Luftgütegrenzwerte wesentlich sein. Die Optimierung des Zusammenspiels von FahrerInnen, Kfz und Verkehrsinfrastruktur bietet auch kurzfristig Potenzial

20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Professor Horst Cerjak, Rollenprüfstand für Schwere Nutzfahrzeuge der TU-Graz