استانداردهای تست آلایندگی خودروهای سواری

آزمایشگاه اندازه‌گیری و آنالیز گازهای آلاینده خروجی اگزوز

مرکز تحقیقات و نوآوری صنایع خودرو سایپا

شهرام سیدرافضی، مهدی سلیمانی وسعید رحیمی‌زاده

در پی افزایش آلودگی محیط زیست و نقش غیرقابل انکار خودروها در آلودگی هوا، این موضوع به یک دغدغه بین‌المللی تبدیل شد. بطوری که در سال 1963 کنگره امریکا‍، لایحه هوای پاک را تصویب کرد. بدین ترتیب برنامه مبارزه با آلودگی هوا به طور رسمی از سال 1966 در ایالت کالیفرنیا که نسبت به سایر ایالات امریکا از شرایط بحرانی‌تری برخوردار بود به اجرا درآمد و در سال 1968 این برنامه در سراسر امریکا اجرا شد. در همین سال انجمن «California Air Resource Board» تاسیس شد و در سال 1970 آژانس حفاظت از محیط زیست به منظور نظارت بر بحث آلودگی هوا، تنظیم و تدوین استانداردهای آلایندگی و تنظیم روش‌های تست، شکل گرفت. در ایران نیز در سال‌های اخیر با افزایش روزافزون شمار خودروها و مشکلات ایجاد شده در زمینه آلودگی هوا، بخصوص در شهرهای بزرگ و خصوصا در تهران بحث مبارزه با آلاینده‌ها، بسیار جدی شده و سازمان حفاظت محیط زیست اقدام به اجرای استانداردهای آلودگی در ایران براساس استانداردهای اروپایی کرده است.

در این مقاله، استانداردهای آلایندگی خودروهای سواری بنزین‌سوز بررسی شده است.

 

استانداردهای تست آلایندگی خروجی اگزوز

اندازه گیری و آنالیز گازهای خروجی اگزوز باید مطابق با یک روش استاندارد مشخص صورت گیرد. بدین منظور کشورهای مختلف بسته به مقتضیات و شرایط اقلیمی و ترافیکی خود به تدوین استانداردهای آلایندگی پرداخته‌اند. از این بین می‌توان به استانداردهای آلایندگی کشور ایالات متحده امریکا، ژاپن و همچنین اتحادیه اروپا اشاره کرد.

قبل از انجام آزمایش آلایندگی، ابتدا خودرو مدت زمان مشخصی در داخل اتاقی به نام Soak Room  که دمای آن بین 20 تا 30 درجه سانتیگراد است در حالت پارک قرار می‌گیرد و پس از این مدت خودرو آماده تست است و با استارت سرد، تست آلایندگی شروع می‌شود. برای شبیه‌سازی حرکت خودرو روی جاده از شاسی دینامومتر استفاده می‌شود. شاسی دینامومتر یک وسیله الکترومکانیکی است که از یک یا دو غلتک تشکیل شده است. در حین تست، چرخ‌های خودرو به روی این غلتک‌ها قرار می‌گیرد و با شروع حرکت خودرو غلتک‌ها می‌چرخند و بدین ترتیب خودرو حرکتی رو به جلو نخواهد داشت.

شاسی دینامومتر وظیفه مهم دیگری نیز بر عهده دارد و آن وارد کردن بارهای جاده‌ای و اینرسی به خودرو است. نیروهای مقاومت جاده‌ای که باید توسط شاسی دینامومتر شبیه‌سازی شوند عبارتند از نیروی اصطکاک بین تایر و جاده و نیروی مقاومت هوا. از آنجایی که در حین تست، خودرو حرکتی به سمت جلو ندارد، طبعا خنک کاری خودرو روال عادی خود را طی نمی‌کند و برای خنک کاری از یک فن که سرعت آن متناسب با سرعت حرکت خودرو است و بر روی شاسی دینامومتر طراحی شده، استفاده می‌شود.

تفاوت عمده استانداردهای آلایندگی در سیکلی است که خودرو مطابق با استاندارد، به روی شاسی دینامومتر می‌پیماید. این سیکل‌ها در واقع نمودار نحوه حرکت خودرو در سطح شهر یا خارج شهر می‌باشند. در حین پیمایش سیکل، به طور پیوسته سیستم CVS از گازهای خروجی اگزوز نمونه‌‌برداری شده و نمونه‌ها در داخل کیسه‌های مخصوصی ذخیره می‌شوند. در پایان تست، نمونه‌ها از کیسه‌ها وارد آنالایزرها شده و مقادیر غلظت حجمی گازهای هیدرات‌های کربن، مونواکسید کربن نیترات‌های اکسیژن  و دی‌اکسید کربن اندازه‌گیری می‌شود. از این بین گازهای هیدرات کربن، منواکسید کربن و نیترات‌های اکسیژن از گازهای سمی هستند و برای آنها در استاندارد، حد مجاز تعریف شده است. ولی اندازه‌گیری گاز دی‌اکسید کربن که یک گاز غیرسمی است، از این جهت حائز اهمیت است که باعث ایجاد اثر گلخانه‌ای می‌شود ولی تاکنون هیچ استانداردی برای این گاز، حد مجاز تعریف نکرده است.

این تست مهمترین تست از مجموعه تست‌های استاندارد آلایندگی خودروهاست. اما تست‌های آلایندگی فقط به این تست محدود نمی‌شود و برحسب استاندارد مورد استفاده، تست‌های استاندارد دیگری نیز برای خودروهای سواری تعریف می‌شود. ذیلا به معرفی کلی استانداردهای رایج دنیا در زمینه تست آلایندگی خودروهای سواری می‌پردازیم.

استانداردهای تست آلایندگی کشور ایالات متحده

استانداردهای  کشور امریکا به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند:

استاندارد کشور امریکا بجز ایالت کالیفرنیا (federal standard)

استاندارد ایالت کالیفرنیا (california standard)

 اما در هر دو این مناطق شباهت‌های بسیاری از نظر پروسه تست وجود دارد و تفاوت عمده در مقادیر حد مجاز می‌باشد. ضمنا در هر دوی این استانداردها، مقادیر آلاینده‌ها برای هر دو نوع خودروهای دیزل و بنزینی وجود دارد.

 

استاندارد فدرال

 استانداردهای فدرال شامل دو گروه زیر است: Tier1 وTier2

استاندارد Tier1 از سال 1994 شروع شد و تا سال 1997 ادامه داشت و استاندارد Tier2 از سال 1999 شروع شده و تا سال 2004 نیز ادامه خواهد داشت.

استاندارد Tier1

برای تمامی LDVهای تازه تولید که شامل خودروهای سواری، وانت‌های سبک، خودروهای اسپرت و همچنین «ون‌»های کوچک می‌باشند رعایت حدود این استاندارد الزامی است.

این استاندارد برای دو گروه از خودروها اجرا می‌شود:

خودروهایی با عمر 100هزار مایل

خودروهایی با عمر 50هزار مایل

در این استاندارد، برای کلیه خودروهای بنزینی و گازوییلی حدود مجاز یکسان است و تنها تفاوت در مورد آلاینده Nox است. سیکل رانندگی این استاندارد سیکل (FTP75) است و واحد اندازه‌گیری آلاینده‌ها گرم بر مایل است.

سیکل FTP75:

این سیکل از یک قسمت شهری و یک قسمت فوق شهری به شرح زیر تشکیل شده است.

سیکل شهری:

زمان سیکل: 1877 ثانیه، طول سیکل: 8/17 کیلومتر، سرعت ماکزیمم: 1/92 کیلومتر در ساعت.

سیکل خارج شهری:

زمان سیکل: 765 ثانیه، طول سیکل: 5/16 کیلومتر، سرعت ماکزیمم: 4/96 کیلومتر در ساعت.

به علاوه بین سال‌های 2000 تا 2004 یک SFTP (Supplemental federal test procedure) نیز به مجموعه تست‌ها اضافه شده که شامل دو سیکل (US06) اندازه‌گیری آلاینده‌ها در طی سیکل اتوبان است.

زمان سیکل: 600ثانیه، شتاب ماکزیمم، 8 مایل بر ساعت بر ثانیه، سرعت ماکزیمم: 3/80 مایل بر ساعت.

سیکل (SC03): اندازه‌گیری آلایندها در طی سیکل شهری هنگامی که سیستم air conditioning فعال است.

SC03 Air conditioning Cycle:

زمان سیکل: 594 ثانیه، سرعت ماکزیمم: 8/54 مایل بر ساعت.

جدول زیر مربوط به استاندارد Tier1 است:

 

در سال 1997 EPA (سازمان محیط زیست امریکا) استاندارد NLEV را برای دوره گذر از استاندارد Tier1 به Tier2 اجرا کرد. استاندارد فوق صرفا برای اتومبیل‌های سواری سبک با وزن کمتر از  bs 60001 بوده و استاندارد ذکر شده معادل استاندارد LEV کالیفرنیا است.

استاندارد Tier2

استاندارد Tier2 همانند Tier1 برای همان دسته‌ از خودروهاست و واحداندازه‌گیری آلاینده‌ها نیز گرم بر مایل است. ضمنا این استاندارد شامل دسته‌ای از خودروهای سنگین (MDPV) با وزن بیشتر از « l lbs10000» نیز می‌باشد. در این استاندارد مقادیر حد مجاز به 8 گروه تقسیم شده‌اند و گروه‌های اضافه شده (9|10| MDPV) مربوط به دوره گذرا می‌باشند و خاتمه اعتبارشان نیز پایان سال 2008 است.

استاندارد فوق برای خودروهای سواری و LDT تا پایان سال 2004دارای اعتبار است و پس از آن تا سال 2009 مرتبا تغییر خواهد کرد ولی برای ماشین‌های سنگین آغاز تغییرات، سال 2008 خواهد بود.

California standard

استانداردهای موجود در ایالت کالیفرنیا به ترتیب سخت‌تر شدن مقادیر حد مجاز عبارتند از:

1-Tier1

2.TLEV (Transient Low Emission vehicle)

3. TLEV (Low Emission Vehicle)

4. ULEV (Ultra Low Emission vehicle)

5.SULEV (Super ultra Emission vehicle)

6. ZEV (Zero mission vehicle)

 

خودروهای تولیدی در ایالت کالیفرنیا باید یکی از استانداردهای فوق را پاس نمایند که البته بعد از سال 2003 استاندارد Tier1 و TLEV محدودتر می‌شوند.

سیکل رانندگی این استاندارد FTP75 می‌باشد و واحد اندازه‌گیری آلاینده‌ها نیز گرم بر مایل است؛ همچنین سیکل SFTP در کالیفرنیا بین سال‌های 2001 تا 2004 اجباری می‌باشد.

استانداردهای تست آلایندگی کشور ژاپن

استانداردهای مربوط به کشور ژاپن برای خودروهای بنزینی به صورت زیر است:

پروسه تست برای خودروهای بنزینی شامل دو سیکل 11mode  و 10*15mode

سیکل 11mode یک سیکل سرد است که 4 بار تکرار می‌شود و واحد سنجش آن gr/test می‌باشد.

زمان سیکل: 120 ثانیه، سرعت ماکزیمم: 60 کیلومتر بر ساعت، طول سیکل: 021/1 کیلومتر.

زمان سیکل: 660 ثانیه، سرعت ماکزیمم: 70 کیلومتر بر ساعت، طول سیکل : 16/4 کیلومتر.

 

در جداول بالا منظور از عبارت mean مربوط به Type  Approval (تایید نوع) خودروهایی است که حداکثر 2000 عدد در سال تولید می‌شود و cop (تطابق تولید) سایر خودروها و عبارت max  هم مربوط به Type Approval خودروهای معمولی است.

اسناداردهای اروپایی

دو نوع استاندارد در اروپا وجود دارد:

1. استاندارد اتحادیه اروپایی که حرف مخفف آن EC یا EEC می‌باشد و اصطلاحا به استانداردهای Euro معروف است.

2. استانداردهای سازمان ملل که با حروف مخفف ECE نشان داده می‌شود و در ایران نیز اجرا می‌شود.

استاندارد سازمان ملل شامل دو سیکل رانندگی ECE (سیکل شهری) و EUDC (سیکل خارج شهری) می‌باشد. سیکل ECE به صورت زیر است که چهار مرتبه تکرار می‌شود.

زمان سیکل: 820 ثانیه، سرعت ماکزیمم: 50 کیلومتر بر ساعت، طول سیکل: 05/4 کیلومتر.

سیکل EUDC نیز به صورت زیر است:

زمان سیکل: 400 ثانیه، ماکزیمم سرعت: 120 کیلومتر بر ساعت.

این استانداردها به مرور زمان دچار تغییر و تحول شده است، ولی اولین استاندارد یعنی ECE15 در سال 1970 شروع شد و پس از آن به ترتیب استانداردهای زیر ارایه شدند:

ECE 15-40

ECE83-00

ECE83-01|02 (Euro1) (مدت اعتبار: پایان سال 93)

ECE83-03(Euro2) (مدت اعتبار: تا پایان سال 96)

ECE83-04 (Euro2) (مدت اعتبار: تا پایان سال 2000)

ECE83-05 (Euro4|3) (مدت اعتبار: تا پایان سال 2008)

جداول زیر مقادیر حد مجاز استانداردهای مختلف را نشان می‌دهد:

 

در این استاندارد، تست‌های آلایندگی، شامل پنج نوع تست هستند که برای تولید هر نوع خودروی تازه، کارخانه سازنده باید گواهینامه تایید نوع برای آلاینده‌ها را دریافت کند. برای این منظور خودرو باید پس از پیمایش 3000 کیلومتر، (بسته به نوع خودرو) تمام یا تعدادی از آزمایش‌ها را پشت سر گذارد تا مشمول اعطای گواهینامه تایید نوع (Type Approval) گردد؛ اما دریافت گواهینامه تایید نوع به معنی اتمام کار نیست. چرا که در حین تولید نیز طبق استاندارد، نمونه‌برداری‌هایی از خطوط تولید به صورت اتفاقی صورت می‌گیرد و خودروهای انتخاب شده باید بتوانند تست‌های مربوط به تطابق تولید (COP) را نیز با موفقیت پشت سر بگذارند. البته لازم به ذکر است حدود مجاز غلظت آلاینده‌ها در این استاندارد یکسان نیست. ذیلا این پنج تست به اختصار توضیح داده می‌شود.

1. تست نوع 1 (اندازه‌گیری میانگین آلاینده‌های خروجی اگزوز پس از استارت سرد)

در این تست، خودرو پس از بیرون آمدن از اتاق Soak روی شاسی دینامومتری که از قبل برای شبیه‌سازی بارهای جاده‌ای آن خودروی خاص تنظیم شده، قرار می‌گیرد و در دمای 20 تا 30 درجه با استارت سرد، سیکل مورد نظر را می‌پیماید. در خلال تست، خروجی اگزوز خودرو با هوای محیط رقیق شده و بطور پیوسته از آن نمونه‌برداری می‌شود.

نمونه‌ها در یکسری کیسه‌های مخصوص ذخیره می‌شوند. در همین زمان هوای محیط نیز به طور پیوسته در کیسه‌های دیگر ذخیره می‌شود. پس از اتمام سیکل، نمونه‌های ذخیره شده در کیسه‌ها وارد آنالایزرها می‌شوند و مقادیر غلظت آلاینده‌های مونواکسید کربن، هیدرات‌های کربن و نیترات‌های اکسیژن (Nox) محاسبه می‌شود. مقادیر خالص محاسبه شده، نباید از حدود ذکر شده در استاندارد تجاوز کند.

2.تست نوع 2 (اندازه‌گیری آلایندگی CO در حالت Idle)

در این تست مقدار مونواکسید کربن خروجی اگزوز در حالت کارکرد درجای موتور، اندازه‌گیری می‌شود. این مقدار نباید از 5/3 درصد حجمی بیشتر باشد.

3.تست نوع 3 (اندازه‌گیری آلایندگی‌های محفظه‌کارتر و مانی‌فولد)

این تست به منظور حصول اطمینان از عدم انتشار آلایندگی از محفظه کارتر و مانی‌فولد به محیط انجام می‌شود. برای این منظور فشار محفظه کارتر و مانی‌فولد هوا باید از فشار محیط کمتر باشد. بدین منظور، خودرو در دو حالت با سرعت ثابت 50 کیلومتر در ساعت به حرکت در می‌آید و مقادیر فشار اندازه‌گیری می‌شود. نخست در حالتی که بار مقاوم تنظیم شده توسط دینامومتر، همان مقدار تنظیم شده در تست نوع 1 است و دوم در حالتی که بار مقاوم 7/1 برابر بار حالت اول است. مقادیر فشارهای نسبی (نسبت به محیط) اندازه‌گیری شده و مقادیر ثبت شده نباید مثبت باشند.

 

4.تست نوع 4 (اندازه‌گیری آلایندگی بخارات بنزین)

در این تست که به تست SHED معروف است، میزان بخارات هیدرات‌های کربن متصاعد شده از خودرو اندازه‌گیری می‌شود. برای این منظور از یک اتاق مخصوص به نام SHED ROOM استفاده می‌شود. این تست از دو بخش مجزا تشکیل شده است. در بخش اول ابتدا خودرو مانند تست نوع 1 در اتاق SOAK قرار داده می‌شود. سپس خودرو وارد اتاق SHED شده و میزان بنزین موجود در باک به مقدار 40 درصد مقدار ماکزیمم رسانده می‌شود. سپس، با استفاده از یک منبع حرارتی که زیر باک نصب می‌شود، دمای بنزین موجود در باک ظرف مدت یک ساعت از 16 درجه سانتیگراد به 30 درجه سانتیگراد رسانده می‌شود و در پایان مقدار هیدرات‌های کربن موجود در محیط اندازه‌گیری می‌شود. در بخش دوم تست که Hot Soak نامیده می‌شود، خودرو ابتدا یک سیکل استاندارد ECE- EUDC را می‌پیماید و ظرف مدت 5 دقیقه وارد اتاق SHED شده و بمدت یک ساعت در این اتاق می‌ماند. پس از این مدت، میزان هیدرات‌های کربن موجود در اتاق در این مرحله نیز اندازه‌گیری می‌شود و مقدار آن در مجموع این دو مرحله نباید از میزان دو گرم تجاوز کند.

5.تست نوع 5 (تست دوام دستگاه‌های کاهنده آلایندگی):

در تست نوع پنج که به تست دوام دستگاه‌های کاهنده آلایندگی معروف است، هدف، تعیین میزان دوام دستگاه‌های کاهنده آلایندگی و عمدتا مبدل‌های کاتالیزوری است. در این تست خودرو می‌بایستی 80هزار کیلومتر پیمایش نماید و در حین این پیمایش در هر 10 هزار کیلومتر یک تست آلایندگی نوع1 روی آن انجام می‌شود و از روی نتایج این تست‌ها یک ضریب زوال یا Deteration Factor به دست می‌آید که این ضریب در نتایج حاصل از تست‌های تایید نوع یا تطابق تولید ضرب شده و حاصل آن با محدوده‌های استاندارد مقایسه می‌گردد.

این تست نیاز به یک شاسی دینامومتر دارد و به لحاظ اینکه سیکل رانندگی آن بسیار طولانی و وقت‌گیر است، معمولا از یک ربات به جای راننده استفاده می‌شود. البته تولیدکنندگان خودرو می‌توانند مطابق با استاندارد از انجام این تست صرف نظر کرده و از ضریب ثابت 2/1 استفاده کنند. ذیلا تست‌های مورد نیاز استانداردهای مختلف آلایندگی اروپا در یک جدول ارایه شده است.

البته لازم به توضیح است که از استاندارد ECE83-05(Euro3) به بعد تغییراتی در آزمایش‌ها به وجود می‌آید که مهمترین آنها عبارتند از:

1. حذف 40 ثانیه اول تست در تست نوع اول

2. لزوم استفاده از دستگاه عیب‌یاب (OBD) در خودرو

3. اجباری شدن تست نوع ششم (اندازه‌گیری آلاینده‌ها در دمای منهای 7 درجه)