Experimental monitoring of pollutants emissions from road vehicles

Abstract

It is well-known the inconstancy that is verified on the obtained laboratorytest values, which present emission rates that are below the ones that are verified on the field. In order to achieve more reliable values the use of the Portable Measurement Emissions System (PEMS) is becoming more popular among researchers who work on this area. The main objective of this masters dissertation was to conduct an experimental monitoring of tailpipe pollutant emissions from different vehicles, with different types of fuels and routes. It was accomplished by the development of an empirical method which embraced vehicle data collection regarding its operating conditions and its consequent emissions. The two main purposes of the development of this method were to be able to, firstly, observe what were the impacts that different driving style parameters, such as the acceleration, vehicular jerk or RPM, along with the Vehicle Specific Power (VSP) and the characteristics of the route, had on the emission rates of the CO2, NOx and PM; and, secondly, to be able to analyze the relationship between the VSP and the obtained onroad emission rates by developing predictive based-modal approach. Two vehicles were submitted to the tests, being one of them ran by gasoline and the other by diesel, along four different routes, being two of them performed on highways, one on a partly urban/rural road and one along urban roads. Testing vehicles were equipped with a PEMS, a Global Positioning System (GPS) and an On-Board Diagnostic (OBD) scan device that were used to collect data about exhaust emissions, location and engine parameters, respectively. For both vehicles and in the intercity routes, the variance of the acceleration and the vehicular jerk was significantly high at low and moderate speeds, namely from 0-20 km/h and from 60-90 km/h, compared to the remaining ones. It was concluded that the NOx Euro 6 limit was surpassed in about 44 times and in 66% by the diesel and the gasoline vehicle, respectively. Results showed that both cars were below the PM limits defined for their corresponding emission standards. Regarding the VSP-based prediction model approach and in the case of the diesel vehicle, high determination coefficients were obtained for the CO2 and for the NOx (R2 > 0.9) and a moderate coefficient was obtained for the PM (R2 > 0.6). VSP model showed as effective in predicting emissions in the gasoline vehicle, regardless of the pollutant (R2 > 0.83). Regarding the validation of the VSP-based prediction model and for the diesel vehicle, the average VSP predicted values for the CO2, NOx and PM were 8 and 28% higher and 46% lower than the ones measured on the field, respectively. In the case of the gasoline vehicle and for the same pollutants, these values were 7, 20 and 33% superior to the field ones, respectively. The implementation of an effective method such as the VSP-based one is useful to estimate emissions in diesel or gasoline vehicles for all types of driving cycles and it could be incorporated on national inventories in order to calculate traffic emissions, for instance.

É bem conhecida a inconstância verificada nos valores obtidos em testes de laboratório, que apresentam taxas de emissão que estão abaixo daquelas que são verificadas na recolha de valores de emissões no terreno. De forma a obter valores mais confiáveis a utilização de Sistemas Portáteis de Medição de Emissões (PEMS) está-se a tornar mais popular entre os investigadores que operam nesta área. O principal objetivo desta dissertação de mestrado foi efetuar uma monitorização experimental das emissões de poluentes provenientes de veículos com diferentes combustíveis ao longo de diferentes tipos de vias. Este objetivo foi cumprido através do desenvolvimento de um método empírico que consistiu na recolha de dados no que diz respeito _as condições de operação e _as emissões dos gases de escape dos veículos. Os dois principais objetivos do desenvolvimento deste método foram, em primeiro lugar, observar os impactos que diferentes parâmetros ao nível da condução tais como a aceleração, a primeira derivada da aceleração (jerk), RPM, Potência Específica do Veículo (VSP) e o tipo de via tinham no nível das taxas de emissões de CO2, NOx e PM; e, em segundo lugar, ter a capacidade de analisar a relação entre o VSP e as taxas de emissão obtidas através do desenvolvimento de modelos preditivos. Dois veículos foram submetidos aos testes, operando um deles a gasolina e o outro a gasóleo, ao longo de quatro rotas distintas, sendo duas delas em auto-estrada, uma em zonas parcialmente urbanas/rurais e uma ao longo de vias urbanas. Os veículos de teste foram equipados com um PEMS, um Sistema Global de Posicionamento (GPS) e um Sistema de Diagnóstico a Bordo (OBD) que foram usados para recolher dados acerca das emissões libertadas através do tubo de escape dos veículos, da localização e dos parâmetros relativos ao motor do veículo, respectivamente. Para ambos os veículos e nas rotas inter rurais, a variância da aceleração e do jerk do veículo foi significativamente alta em velocidades baixas e moderadas, nomeadamente dos 0-20 km/h e dos 60-90 km/h, comparativamente _as velocidades restantes. Foi concluído que o limite Euro 6 de NOx foi ultrapassado em cerca de 44 vezes e em 66% para o veículo a diesel e a gasolina, respetivamente. Os resultados indicaram que ambos os veículos se mantiveram abaixo dos limites de emissão de PM definidos. No que diz respeito á aproximação utilizando o modelo de previsão baseado no VSP e para o caso do veículo a gasóleo, foram obtidos coeficientes de determinação elevados para o CO2 e NOx (R2 > 0.9) e um coeficiente moderado para as PM (R2 > 0.6). O modelo VSP provou ser igualmente eficaz na previsão das emissões do veículo a gasolina, independentemente do poluente (R2 > 0.83). No que diz respeito á validação do modelo VSP e no caso do veículo a diesel, os valores de previsão para o CO2, NOx e PM foram 8 e 28% superiores e 46% inferiores aos valores medidos no terreno. No caso do veículo a gasolina e para os mesmos poluentes, os valores foram 7, 20 e 33% superiores aos medidos, respectivamente. A implementação de um método VSP efetivo poderá ser útil no que ao cálculo de emissões para todos os tipos de ciclos de condução diz respeito, podendo ser, por exemplo, incorporado em inventários nacionais.