Fékporemisszió

Dr. Szabados György

Új, WLTP alapú, a fékkopásból származó részecske-kibocsátás meghatározására szolgáló vizsgálati eljárást fejlesztenek ki a személygépjárművek számára. Cikkünk összefoglalja a fékkopásból származó vizsgálati eljárással kapcsolatos legfontosabb új kutatási eredményeket.

Az ENSZ Európai Gazdasági Bizottságában, a Gépjárművek Légszenynyezésével és Energiafelhasználásával foglalkozó munkacsoporton (UNECE – GRPE) belül működik a Részecske Mérési Program (PMP, Particulate Measurement Program) informális alcsoport. A PMP alcsoportnak ma két fő kutatási területe, iránya van, egyrészt a 23 m2 méret alatti, a motorból származó részecskék vizsgálata, másrészt a fékkopásból származó káros anyag (fékpor, fékrészecske) vizsgálatára vonatkozó egységes vizsgálati eljárás kidolgozása.

BEVEZETÉS

➊

A témával világszinten nem kisebb cégek, intézetek foglalkoznak, mint az Európai Unió Közös Kutatási Központja (EU JRC, European Union Joint Research Center), az Európai Bizottság, a FORD, GM, Horiba, az Audi AG, AVL, Japan Automobile Standards Internationalization Center, California Air Research Board, valamint a Michigani Egyetem. A kutatás indoka nem más, mint a járművek üzemének, mindenfajta károsanyag-kibocsátásának emberre, élő környezetre gyakorolt hatása. Továbbá e hatások (kibocsátások) egységes vizsgálati keretek közé szorítása, valamilyen határértékkel történő ellátása. Ennek előzménye, hogy imissziós vizsgálati eredmények kimutatták, hogy a levegőben lebegő (abszorbeált) részecskék nem kizárólag a motorban elégetett tüzelőanyagból származnak, hanem egyéb forrásokból, például a fékbetét-féktárcsa kopásból, a gumiabroncskopásból, az útfelület kopásából. A légszennyezés és ezen belül is a részecskeszennyezés meglehetősen összetett dolog, ezért azt is fontos látni, hogy részecske-kibocsátás nemcsak a közúti közlekedésből származik, hanem a közlekedés egyéb ágazataiból, továbbá az iparból, a háztartásokból is, vagyis mindenhonnan, ahol tüzelőanyag vagy egyéb anyag elégetése történik ➊, de mi most csak a közúti közlekedés egyik járműszegmensével, a személygépjárművekkel foglalkozunk.

A személygépjárművek esetében a motorból származó és a nem a motorból származó részecske darabszám-méret eloszlására végeztek már vizsgálatokat. Ennek eredményét jellegében a ➋ ábra mutatja, amelyről leegyszerűsítve azt lehet leolvasni, hogy a nem motor eredetű részecskék valamivel nagyobb méretűek és kisebb számúak. A részecske kifejezés – legyen az motorból vagy nem motorból származó részecske – egy gyűjtőfogalom. Azoknak az anyagoknak az összességét jelenti, amely a tömegmérésnél a szűrőpapíron fennakad, vagy számolásnál az alkalmazott eljárással megszámolható. Anyagféleségét, fázisát tekintve meglehetősen sokoldalú, ennek részleteit főleg a motorból származó részecskére vizsgálták részletesen.

➋

ÚJ VIZSGÁLATI CIKLUS

Az új vizsgálati ciklust WLTP Brake Cycle-nek hívják, vagyis WLTP fék ciklusnak lehet nevezni ➌. A ciklus definiálásához a már alkalmazott WLTP (Worldwide Light Duty Test Procedure) eljárást vették alapul, amelyet a 3,5 t megengedett össztömeg alatti személygépjárművek emissziós vizsgálatára használnak a típusvizsgálatok során. Ez az eljárás jellegében jobban követi egy jármű valós üzemi sebesség-idő profilját, mint az ezt megelőző NEDC-ciklus. A ciklus járműsebességet mutat az idő függvényében. E ciklus járatásával kívánják a fékkopásból származó részecske-kibocsátást vizsgálni. A ciklus legfontosabb paraméterei a következők: 10 különböző menet ➍, amelyek egyenként kevert városi, elővárosi és autópálya-meneteket képeznek le (303 megállás, 4,5 óra, 192 km). Az átlagos sebesség 43,7 km/h és a maximális sebesség 132,5 km/h. A ciklus 6%-ában van a sebesség 110 km/h felett.

➌

➍

A fékezéskori lassulásértékek 0,5 és 2,2 m/s2 között vannak (az átlagos 1,0 m/s²). Visszahűlési idők (bizonyos időtartamok, amelyek szükségesek, hogy a menet után a fék hőmérséklete visszahűljön 20 °C-ra) változók, és jelentősen függenek az egyes menetek tulajdonságaitól. A fékszerkezet hőmérsékletének változása függ a menetsebességtől, a visszahűlés folyamat a jármű álló állapotában a leghosszabb ➎.

➎

A vizsgálatokhoz a fékszerkezetet ún. féktesztpadra (brake dyno) szerelik ➑. Tehát nem a gépjárműbe építetten vizsgálják a féket, hanem a fékszerkezetet a féktesztpadon úgy működtetik, mintha az autóban tesztciklusban futna. A legnagyobb nehézséget a valós üzemi viszonyok közötti külső körülményeknek laboratóriumi körülmények közötti megvalósítása jelenti. A külső körülmények alatt kutatások a fékhőmérsékletet értik. A hőmérséklet azért lényeges, mert a szerkezet hőmérsékletének függvényében változik a kibocsátott részecskeszám ➏. A fékszerkezet hőmérsékletét különböző helyeken mérik, mert az másként változik a járműciklus során az első vagy a hátsó tengelyen, a jobb vagy bal oldalon, a tárcsán vagy dobon, a fékbetéteken. A WLTP fékciklus lefutásával (görgős járművizsgáló padon vagy próbapályán) felveszik a fékszerkezet különböző elemeinek hőmérsékletét. A féktesztpadon pedig a hűtőlevegő, terhelésbeállításokat addig változtatják, amíg a hőmérsékletek az eredeti ciklusnak meg nem felelnek valamilyen határon belül ➐.

hirdetés

➏

➐

RÉSZECSKETÖMEG ÉS RÉSZECSKESZÁM

A féktesztpadon a fékszerkezetet zárt burkolat veszi körbe. Ennek a burkolatnak egyik része az, ahol a kondicionált hűtőlevegőt bevezetik, és a másik része, ahol a fékport is magában tartalmazó áramlást a mintavételi ponthoz vezetik ➑. A kondicionált hűtőlevegő a részecskeméréshez szükséges hígító levegő is egyben. Miközben a ciklus fut a tesztpadon a mintavétel folyamatos. A ➒ ábra mutatja a teljes vizsgálati eszközrendszert. A kondicionáló berendezés a beszívott levegőt 20 °C-ra és 50% relatív páratartalomra állítja be. A kondicionált közeg egy speciális HEPA (High Efficiency Particulate Air) szűrő után kerül a fékszerkezetet körülvevő térbe, ahol a fékkopadék, fékpor (fékrészecske) kerül a levegőbe. Ez a mintavételi alagúton jut el a mintavételi ponthoz, ahol a tömegméréshez, a megszámláláshoz mintát vesznek. A légáram nagy része, amelyet nem használnak fel mintának, szintén egy további HEPA szűrőn keresztül kerül az elvezető csőrészbe, amelynek végén egy légszállító biztosítja az egész rendszerben az áramlást.

➑

➒

A két paraméter, vagyis a részecsketömeg (PM, Particulate Mass) és a részecskeszám (PN, Particulate Number) maradnak a vizsgálatok fókuszában, ahogy az a motorokból származó részecskemérésnél is van. A mértékegységek, amelyeket a kutatások során végzett vizsgálatoknál alkalmaznak tehát, a mg/km, amely a tömegre vonatkozik és #/km, amely a részecskedarabszámra utal (# karakter a darabszám nemzetközi jelölése). Mindkettő egységnyi megtett útra (km) vetített.

A motorból származó részecske-kibocsátáshoz képest a fékvizsgálatoknál a részecsketömeget illetően azonban van különbség. Az eddigi eredmények alapján azt lehet látni, hogy megkülönböztetik a PM10 és a PM2,5 tömegeket. Vagyis megmérik a 10 μm méret alatti részecskék tömegét (PM10 [mg/km]) és külön megmérik a 2,5 μm méret alattiak tömegét is (PM2,5 [mg/km]).

SZIMULÁCIÓ HASZNÁLATA

➓

A szimuláció alkalmazása bármilyen valós folyamat modellezésére mindig azért történik, hogy időt és költségeket takarítsanak meg. A PMP-n belül a fék tesztpadi szimulációjával a Michigani Egyetem kutatói foglalkoztak. Számítógépes áramlási szimuláció (CFD, Computational Fluid Dynamics) segítségével tudják szimulálni és megjeleníteni a zárt térben elhelyezett fékszerkezet vizsgálatakor lejátszódó áramlási folyamatokat ➓. A virtuális vizsgálatokhoz ún. UM szuperszámítógépet használtak, amely 256 magos processzora 48 óráig dolgozik egy-egy ciklus szimulációján. A szimuláció ez esetben azért is jelent jelentős megtakarítást, mert rengeteg fékszerkezet-változatot kell vizsgálni, amely előfordul például személygépjármű esetében. Ilyen változatokat foglal össze a ⓫ ábra. Például tömör tárcsa (a), nem tömör, hűtött tárcsa (b) vagy a levegő áramlási irányához képest a féknyereg hogy helyezkedik el: előre (a) vagy utána (b) – ⓫. ábra felső sor. Meg kell különböztetni, hogy a tárcsa forgási iránya az óramutató járással megegyező (a) vagy azzal ellentétes (b), tovább a tárcsa szögsebessége kisebb (a) vagy nagyobb (b) – ⓫ ábra középső sor. A ⓫ ábra legalsó részén látható, hogy a modell felépítésekor a kerékfelfüggesztést is meg tudják különböztetni.

⓫

A program a kopást nem tudja szimulálni. Előre meghatározott paraméterekkel rendelkező részecskéket tartalmazó közeget (aeroszolt), előre meghatározott vonal mentén (pl. tárcsafék-fékbetét kimenő oldal) „beléptetik” a rendszerbe és a részecskék mozgását vizsgálják az adott fékszerkezetmodell környezetben, egészen a mintavételi pontig ⓬.

⓬