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Report (Bericht) zugänglich unter
URL: http://bast.opus.hbz-nrw.de/volltexte/2018/1933/


Entwicklung eines Modells zur Generierung von Emissionsfaktoren für motorisierte Zweiräder aus Abgasmessungen : Endbericht zum Projekt: FE 84.0521/2015

Model development for the assessment of emission factors from powered two-wheelers based on emission measurement

Hiesmayr, Johannes ; Dippold, Martin ; Stadlhofer, Werner ; Zinner, Christian ; Hausberger, Stefan

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Ausrüstung , Berechnung , Deutschland , Emission , Forschungsbericht , Messung , Motorrad , Rechenmodell , Simulation
Freie Schlagwörter (Englisch): Calculation , Emission , Equipment , Germany , Mathematical model , Measurement , Motorcycle , Research report , Simulation
Collection 1: BASt-Beiträge / FE-Projekte
Collection 2: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 91 Fahrzeugkonstruktion
Institut: Sonstige
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Sonstige beteiligte Institution: FVT - Forschungsgesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
Dokumentart: Report (Bericht)
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 14.05.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren entwickelt und validiert, mit dem sich reale Emissionsfaktoren für motorisierte Zweiräder in der Systematik des HBEFA generieren lassen. Das Verfahren basiert auf Fahrzeug-Emissionsmessungen in realen Testzyklen, vermessen am Rollenprüfstand oder auf der Straße, als Eingabe für ein Simulationsmodell. Das Modell erzeugt aus den Messungen Motorkennfelder, in denen die Abgasemissionen und der Kraftstoffverbrauch über normierter Motordrehzahl und normierter Motorleistung abgelegt werden. Für jedes gemessene Kfz ergibt sich ein normiertes Emissions-Motorkennfeld. Aus den einzelnen Kennfeldern können dann Durchschnittskennfelder je Fahrzeugkategorie (z.B. Motorrad über 500ccm, EURO 3) gebildet werden. Die Motordrehzahl muss in den Emissionstests entweder gemessen, oder aus Geschwindigkeit, Gang, Reifenumfang und Übersetzungen berechnet werden. Die Motorleistung kann mittels gemessenem CO2-Massenstrom und der Drehzahl aus "generischen CO2-Kennfeldern" ermittelt werden, da im Allgemeinen keine gemessene Leistung vorliegt. Um mit dem Modell dann Emissionsfaktoren für beliebige Fahrzyklen zu bestimmen, wird die Motorleistung aus der Fahrzeuglängsdynamik, den Verlusten im Antriebstrang und dem Leistungsbedarf von Nebenaggregaten aus dem jeweils vorgegebenen Geschwindigkeits- und Steigungsverlauf berechnet. Zur Bestimmung der Drehzahl wird zuerst ein passender Gang berechnet und dann aus den Übersetzungen die Motordrehzahl. Steht die geforderte Motorleistung in keinem Gang zur Verfügung, wird die Beschleunigung im betroffenen Zeitschritt so reduziert, dass sich ein Volllastbetrieb ergibt. Die Berechnungen erfolgen in 1Hz Auflösung. Für jede Sekunde werden dann aus dem zugehörigen Motorkennfeld die Emissionen entsprechend der Drehzahl und Leistung interpoliert. Die integrierten Emissionswerte über den Zyklus ergeben die Summenemissionen, die Division durch die zurückgelegte Strecke die Emissionsfaktoren in g/km. Die Methode wurde im Simulationsprogramm PHEM implementiert. Da PHEM bereits in einem ähnlichen Verfahren Emissionsfaktoren für PKW, LNF und SNF berechnet, war der Zusatzaufwand zum Einbau von Zweirädern nieder und alle Zusatzfunktionen von PHEM können auch für Zweiräder verwendet werden (z.B. Dynamikkorrekturen, automatisierte CO2-basierte Kennfelderzeugung, Batch-Modus, etc.). In dem Projekt wurde die Modellentwicklung und Validierung anhand von 4 gemessenen Zweirädern durchgeführt. Die Tests umfassten Abgasmessungen auf einem Rollenprüfstand sowie On-Road-Messungen mittels PEMS. Die Messkampagne wurde auch genutzt, um einen Vorschlag für ein einheitliches Minimalmessprogramm zur Bestimmung von Emissionsfaktoren von Zweirädern zu erarbeiten. Dazu wurden umfangreiche Fahrversuche im realen Betrieb durchgeführt, die gemessenen Zyklen in Teilstücke verschiedener Verkehrssituationen unterteilt und je Verkehrssituation ein repräsentatives Teilstück bestimmt. Diese wurden dann zu "Real World Rollenzyklen" zusammengefügt. Bei einem Motorradzyklus ist auch ein sportlicher Fahranteil mit Steigung enthalten. Damit ist sichergestellt, dass die Motorkennfelder mit diesen Rollentests gut abgedeckt sind und bei der Berechnung von Emissionsfaktoren keine Extrapolationen von Emissionswerten erforderlich sind. Die am Markt befindlichen PEMS Systeme sind für die Verwendung bei Zweirädern wegen deren Gewicht und Baugröße nicht für alle Fahrzeuge geeignet. PEMS Messungen sind vorerst nur bei größeren Motorrädern im realen Verkehr möglich. Die Emissionskennfelder enthalten jeweils CO, CO2, NOx, HC sowie optional auch die vom FTIR gemessenen Komponenten und Partikelanzahl. Die nicht limitierten Abgaskomponenten aus der FTIR Messung können, wegen der teilweise sehr niederen Emissionsniveaus, nur unsicher zeitaufgelöst gemessen und simuliert werden, so dass hier die Verwendung von Zyklusmittelwerten in [g/km] oder von mittleren Prozentwerten an den HC und NOx Emissionen empfohlen wird. Mit der entwickelten Methode und der Software PHEM bestehen nunmehr die Grundlagen, Emissionsfaktoren für Zweiräder in gleicher Qualität wie sie bei PKW und Nutzfahrzeugen bereits Standard ist, zu gerieren. Die Methoden und mögliche gemeinsame Messprogramme werden in der ERMES Gruppe bereits diskutiert und werden hoffentlich schon 2018 zu einer deutlichen Verbreiterung der Datengrundlage zum Emissionsverhalten von Zweirädern führen.
Kurzfassung auf Englisch: In the actual research project a method for the assessment of real drive emission factors from powered two-wheelers as input for the HBEFA was developed and validated. The method is based on vehicle emission tests in real driving conditions as input for a simulation model. The model generates engine emission maps from the test data, which store the exhaust gas emissions and the fuel flow as function of the normalised engine speed and power values. Each measured vehicle results in one emission map. From the single emission maps average maps per vehicle class can be computed (e.g. for motorcycles >500ccm, EURO 3). In the emission tests, the engine speed either has to be measured or can be computed from the measured vehicle speed, the tire dimension and the transmission ratios if the actual gear is recorded. The engine power can be calculated from the measured CO2-massflow and the engine speed based on "generic CO2 maps" since typically no measured power signal is available from emission tests. To calculate emission factors from the average engine maps for any driving cycle, the engine power is calculated from vehicle longitudinal equations. The approach covers air drag, rolling resistance, road gradients, losses in the transmission and power demand from auxiliaries. The engine speed is simulated from a gear shift model with the transmission ratios and the tire dimension. If the demanded engine power is not available at any gear, the acceleration is reduced in the time steps concerned to run the engine in full load operation. The simulation runs in 1 Hz and for each second the model interpolates the emissions from the engine map. Integrating the emissions over the cycle gives the total emission value. The division by the cycle distance gives the emission factor in g/km. The method is implemented in the emission model PHEM. Since PHEM already is used to simulate emission factors for cars, LCVs and HDVs the extra effort was rather low and all functionalities from PHEM can now be used for two-wheeler simulation too (e.g. transient corrections, automated engine map creation, batch modus, etc.). In the project the model development and validation is based on emission tests on four two-wheelers. The tests covered chassis dyno measurements in the type approval cycle and in real world cycles as well as on-board measurements with PEMS. The measurement campaign was used also to develop a minimum measurement protocol for the elaboration of emission factors. First, extensive real drive tests were performed, then the measured cycles were separated into sub-cycles representing single traffic situations. For each traffic situation one representative sub-cycle was selected from all data to form the total real world test cycle. For the motorcycles, also a sport-orientated sub-cycle with road gradient was included to ensure a good coverage of the resulting engine emission map for all relevant real world situations. A good coverage of the engine map is relevant to avoid extrapolations later on in the emission factor simulation. Actually available PEMS proved not to be fully applicable for testing two-wheelers due to the weight and the size of the measurement system. Thus, PEMS tests are recommended so far only for larger motorcycles. The emission maps cover CO, CO2, NOx, HC and optional non regulated exhaust gases measured with FTIR and the particle number. The non-regulated exhaust gas components partly have a quite low concentration and thus have higher uncertainties in the modal test data and in the simulation. For these components, either average cycle values in [g/km] or average shares on the emissions of HC and NOx emissions are recommended for emission factors. The method developed provides the basis to simulate emission factors for two-wheelers in a similar quality as it is already standard for cars and for HDVs. The methods and test protocols elaborated, are already discussed in the ERMES group and may lead already in 2018 to a remarkable broader database on the emission behaviour of two-wheelers.