RESEARCH ON RANDOM PROPERTIES OF POLLUTANTS EMISSION PROCESSES OF VEHICLES ENGINES UTILIZED IN CITIES

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 3, vol., No 3-4 RESEARCH ON RANDOM PROPERTIES OF POLLUTANTS EMISSION PROCESSES OF VEHICLES ENGINES UTILIZED IN CITIES Zdzisław Chłopek Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów, Zakład Silników Spalinowych 54 Warszawa, ul. Narbutta 84 tel./fax () 84934, e mail zchlopek@simr.pw.edu.pl Tomasz Polichnowski Instytut Badawczy Dróg i Mostów w Warszawie 3 3 Warszawa ul. Golędzinowska tel./fax () 8936, e mail tpolichnowski@ibdim.edu.pl Abstract Organization and traffic control in city centres are those solutions permitting rational influence on quality of transport services and on minimization of their damaging influence on environment. Vehicles ecological properties for pollutants emission reasons are highly sensible on engines working conditions, determined by vehicles speed processes. Both, traffic characteristics and ecological properties are saddled with high level of indeterminacy. According to it, there exist purposefulness in treatment of these processes as random. In the research, there was conducted the probabilistic analysis of traffic conditions and their ecological characteristics at intersections with traffic organization modernized by the authors. BADANIA PRZYPADKOWYCH WŁAŚCIWOŚCI PROCESÓW EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Z SILNIKÓW POJAZDÓW PORUSZAJĄCYCH SIĘ W MIASTACH Streszczenie Organizacja i sterowanie ruchu pojazdów w centrach miejskich jest jednym z rozwiązań umożliwiających racjonalne oddziaływanie na jakość wykonywania pracy przewozowej przez pojazdy oraz na minimalizację ich szkodliwego oddziaływania na środowisko. Właściwości ekologiczne pojazdów ze względu na emisję zanieczyszczeń są silnie wrażliwe na warunki pracy silników, zdeterminowane procesami prędkości samochodów. Zarówno charakterystyka ruchu pojazdów, jak i ich właściwości ekologiczne, są obarczone wysokim poziomem nieokreśloności. Istnieje w związku z tym celowość traktowania tych procesów jako przypadkowych. W pracy dokonano analizy probabilistycznej warunków ruchu pojazdów oraz ich charakterystyk ekologicznych na skrzyżowaniu o organizacji ruchu zmodernizowanej przez autorów.. Wprowadzenie Organizacja i sterowanie ruchu pojazdów w centrach miejskich jest jednym z rozwiązań umożliwiających racjonalne oddziaływanie na jakość wykonywania pracy przewozowej przez pojazdy [] oraz na minimalizację ich szkodliwego oddziaływania na środowisko [8]. Dzięki modelowaniu ruchu pojazdów w obszarach skrzyżowań oraz emisji zanieczyszczeń z silników pojazdów istnieje możliwość oceny skuteczności planowanych zmian organizacji i sterowania ruchu pojazdów ze względu na przepustowość skrzyżowań oraz oddziaływanie motoryzacji na środowisko [3 7]. Właściwości ekologiczne silników spalinowych ze względu na emisję zanieczyszczeń są silnie zależne od warunków pracy silników, te z kolei w wypadku silników trakcyjnych są

2 zdeterminowane warunkami ruchu pojazdów. Zarówno charakterystyka ruchu pojazdów w rzeczywistym użytkowaniu, jak i ich właściwości ekologiczne, są obarczone wysokim poziomem nieokreśloności. Istnieje w związku z tym celowość traktowania tych procesów jako przypadkowych. W pracy dokonano analizy probabilistycznej warunków ruchu pojazdów oraz ich charakterystyk ekologicznych na skrzyżowaniu o organizacji ruchu zmodernizowanej przez autorów.. Badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń z silników pojazdów poruszających się na skrzyżowaniu Badania symulacyjne przeprowadzono dla skrzyżowania z ruchem okrężnym typu trzywylotowe rondo w Zielonej Górze (rysunek skrzyżowanie przed modernizacją i po niej). Z powodu niedostatecznej przepustowości skrzyżowania wykonano badania symulacyjne ruchu pojazdów po dokonaniu wariantów modernizacji organizacji ruchu. Spośród analizowanych wariantów modernizacji wybrano rozwiązanie z dodatkowymi wlotami na dwóch najbardziej obciążonych kierunkach. Rys.. Schemat ronda przed modernizacją i po modernizacji Fig.. Scheme of circular intersection before and after modernization Do badań symulacyjnych ruchu pojazdów na skrzyżowaniu zastosowano programowanie w środowisku VISSIM (Verkehr in Städten Simulation symulacja ruchu w miastach), opracowanym w Technische Universität Karlsruhe [3 7]. Podstawowymi wielkościami wejściowymi modelu ruchu pojazdów są dane nt. konfiguracji dróg i zastosowanych algorytmów sterowania ruchu oraz struktura i natężenie ruchu pojazdów. Strukturę pojazdów określają rozpatrywane kategorie pojazdów. Wielkościami wyjściowymi modelu są prędkości poszczególnych pojazdów, poruszających się w analizowanym obszarze. Na rysunku przedstawiono analizowaną strukturę skrzyżowania z wyróżnieniem strumieni ruchu pojazdów. 3 3 Rys.. Strumienie ruchu pojazdów na rondzie Fig.. Traffic streams in the circular intersection W celu oceny stacjonarności procesów średnich prędkości pojazdów na rondzie

3 przeprowadzono symulacje dla ruchu trwającego 8 h. Analizowano ruch pojazdów należących do dwóch kategorii: samochodów osobowych oraz samochodów ciężarowych dla natężeń ruchu pojazdów równych średnim natężeniom wyznaczonym eksperymentalnie. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy zbiór prędkości średnich kolejnych samochodów osobowych w strumieniu ruchu przed modernizacją ronda v m oraz bieżące charakterystyki zbioru: wartość średnią AV(v m ) i odchylenie standardowe d(v m ), wyznaczone z zależności: N N ti N i= AV [ v ( t )] = v ( ) ; d [ v ( t )] N = N i= ( v ( t ) AV[ v ( t )]) i N i gdzie: N bieżący numer pojazdu, t czas, który jest przyporządkowany pojazdowi (średnia wartość czasu wjazdu na odcinek kontrolny strumienia ruchu i wyjazdu z niego); indeksy prędkości średniej: pierwszy indeks oznacza numer strumienia ruchu, drugi indeks rodzaj kategorii samochodu: osobowy, ciężarowy. v m, AV(v m ), d(v m ) [km/h] Rys. 3. Zbiór prędkości średnich kolejnych samochodów osobowych w strumieniu ruchu przed modernizacją ronda v m oraz bieżące charakterystyki zbioru: wartość średnia AV(v m ) i odchylenie standardowe d(v m ) Fig. 3. The collection of average velocities of successive cars within the traffic stream before modernization vm and actual characteristics of: average value AV(vm) and standard deviation d(vm). W celu przeanalizowania zagadnienia stacjonarności procesów prędkości średnich poszczególnych pojazdów w poszczególnych strumieniach ruchu podzielono każdy z tych zbiorów na kolejnych próbek i wyznaczono dla próbek charakterystyki punktowe, m.in. : wartość średnią, medianę i odchylenie standardowe. Na rysunku 4 przedstawiono charakterystyki punktowe dla próbek zbioru prędkości średnich kolejnych samochodów osobowych w strumieniu ruchu przed modernizacją ronda. W analizach pominięto próbkę I, dla której wyniki są wyraźnie zakłócone warunkami początkowymi. W wyniku analizy stacjonarności procesów prędkości średnich poszczególnych pojazdów w poszczególnych strumieniach ruchu stwierdzono stosunkowo niewielkie różnice w zbiorach charakterystyk punktowych. Największe różnice występują dla odchylenia standardowego, natomiast dla wartości średniej i mediany różnice przeciętnie nie przekraczały kilku procentów. Postanowiono w związku z tym nie przeprowadzać kolejnych testów stacjonarności badanych procesów [, 9] i przyjąć dla potrzeb prowadzonych rozważań, że t [s]

4 analizowane procesy są stacjonarne. Potwierdzeniem stacjonarności badanych procesów są stosunkowo zgodne ze sobą gęstości prawdopodobieństw w poszczególnych próbkach zbioru, aproksymowane gęstościami o rozkładzie normalnym (rysunek 5). Na rysunku 6 przedstawiono gęstość prawdopodobieństwa prędkości średniej kolejnych samochodów osobowych w strumieniu ruchu przed modernizacją ronda: estymatę dyskretną i jej aproksymację gęstością prawdopodobieństwa o rozkładzie normalnym. AV(v m ), M(v m ), d(v m ) [km/h] AV M d II III IV V VI VII VIII IX X Próbka Rys. 4. Charakterystyki punktowe w próbkach zbioru prędkości średnich kolejnych samochodów osobowych w strumieniu ruchu przed modernizacją ronda: wartość średnia AV(v m ), mediana M(v m ) i odchylenie standardowe d(v m ) Fig. 4. Point characteristics in average velocity collection samples of successive cars in the stream of traffic before modernization of the roundabout: average value AV(vm), median M(vm) and standard deviation d(vm) f(v m ) [(km/h) - ],3,5,,5,, v m [km/h] f(v m ) [(km/h) - ],5,,5,,5 3 4 v m [km/h] Rys. 5. Gęstość prawdopodobieństwa f(v m ) w próbkach zbioru prędkości średniej v m kolejnych samochodów osobowych w strumieniu ruchu przed modernizacją ronda Fig. 5. Density of probability f(vm) in samples of average velocity collection vm of successive cars in the traffic stream before the roundabout was modernized. Rys. 6. Gęstość prawdopodobieństwa f(v m ) prędkości średniej v m kolejnych samochodów osobowych w strumieniu ruchu przed modernizacją ronda Fig. 6. Density of probability f(vm) of average velocity vm of successive cars within the traffic stream before the modernization. W wyniku badań symulacyjnych wyznaczono charakterystyki punktowe (np. wartość średnia rysunek 7) oraz aproksymowane funkcjami normalnymi gęstości prawdopodobieństwa ( rysunek 8) średnich prędkości kolejnych pojazdów w poszczególnych strumieniach ruchu przed modernizacją i po modernizacji ronda.

5 AV(v m ) [km/h] Rys. 7. Wartość średnia prędkości średniej AV(v m ) kolejnych samochodów osobowych i ciężarowych w strumieniach ruchu, i 3 przed modernizacją (oznaczenie ) i po modernizacji (oznaczenie ) ronda Fig. 7. Average value of average speed AV(vm) of successive cars and lorries within traffic streams, i 3 before modernization (signature ) and after modernization (signature ) f(v m ) [(km/h) - ] f(v m ) [(km/h) - ] f(v m3 ) [(km/h) - ],5,,5,, v m [km/h],5,,5,, v m [km/h],5,,5,, v m3 [km/h] f(v m ) [(km/h) - ] f(v f(v m ) [(km/h) - m3 ) [(km/h) - ] ],5,,5,, v m [km/h],5,,5,, v m [km/h],5,,5,, v m3 [km/h] Rys. 8. Gęstość prawdopodobieństwa f(v m ) prędkości średniej v m kolejnych samochodów osobowych i ciężarowych w strumieniach ruchu, i 3 przed modernizacją i po modernizacji ronda Fig. 8. Density of probability f(vm) of average speed vm of successive cars and lorries in the traffic streams,, 3 before and after the modernization. Do modelowania emisji zanieczyszczeń z silników pojazdów (tlenek węgla CO, węglowodory HC, tlenki azotu NO x i cząstki stałe PM) przyjęto założenie, że są one zależne funkcyjnie od średniej prędkości ruchu [3 8]. Przykłady ekologicznych charakterystyk samochodów, wyznaczone na podstawie oprogramowania INFRAS AG [,

6 ], są przedstawione na rysunku 9 [7]. b CO [g/km] Samochody osobowe v m [km/h] b CO [g/km] Samochody ciężarowe v m [km/h] Rys. 9. Zależność emisji drogowej tlenku węgla b CO od prędkości średniej v m Fig. 9. Dependency of carbon monoxide road emission bco on average velocity vm. W wyniku przeprowadzonych badań wyznaczono charakterystyki ekologiczne dla pojazdów poruszających się w poszczególnych strumieniach ruchu (rysunki i ). Samochody osobowe Samochody ciężarowe f(b CO ) [(g/km) - ],5,,5,,5 f(b CO ) [(g/km) - ],3,5,,5,,5 5 5 b CO [g/km] b CO [g/km] Rys.. Gęstość prawdopodobieństwa f(b CO ) emisji drogowej tlenku węgla b CO samochodów osobowych w strumieniu ruchu przed modernizacją i po motoryzacji ronda Fig.. Density of probability f(bco) of carbon monoxide road emission bco by cars within the traffic stream before modernization and after modernization Stwierdzono znaczne zmniejszenie w wyniku modernizacji skrzyżowania średniej wartości emisji drogowej zanieczyszczeń (rysunek i tabela), przekraczające w wypadkach ekstremalnych 6%. Tabela: Wartości ekstremalne względnego zmniejszenia wartości średniej emisji drogowej zanieczyszczeń δb z przeciętnego samochodu osobowego i przeciętnego samochodu ciężarowego w strumieniach ruchu, i 3 przed modernizacją i po modernizacji ronda δb Minimum Maksimum [%] CO 39, 64,9 HC 4,8 64,3 NO x,3 47,3 PM 38, 58,8

7 b CO [g/km] b HC [g/km] 4 b NOx [g/km] 5 5 b PM [g/km],5,5 Rys.. Wartość średnia emisji drogowej zanieczyszczeń b z przeciętnego samochodu osobowego i przeciętnego samochodu ciężarowego w strumieniach ruchu, i 3 przed modernizacją i po modernizacji ronda (opis zmiennej niezależnej analogiczny do opisu indeksów prędkości średniej) Fig.. Average value of pollution emission b by an average car and an average lorry within the traffic streams, and 3 before modernization of the roundabout and after (description of an independent variable is analogical to the description of an indexed average velocity) δb,7,6,5,4,3,, CO HC NOx PM Rys.. Względne zmniejszenie wartości średniej emisji drogowej zanieczyszczeń δb z przeciętnego samochodu osobowego i przeciętnego samochodu ciężarowego w strumieniach ruchu, i 3 przed modernizacją i po modernizacji ronda Fig.. Relative decrease of average value of road emission of pollution b by an average car and an average lorry within the traffic streams,, and 3 before and after modernization of the roundabout 3. Podsumowanie Wyniki badań symulacyjnych emisji zanieczyszczeń z silników spalinowych pojazdów poruszających się w obszarze skrzyżowań upoważniają do sformułowania wniosku, że ekologiczne właściwości silników trakcyjnych są w znaczny sposób wrażliwe na przypadkowe warunki, determinujące ruch pojazdów, w zróżnicowany sposób dla poszczególnych zanieczyszczeń i różnych zakłóceń jazdy. Głębsza analiza prawidłowości zależności probabilistycznych charakterystyk ekologicznych właściwości silników spalinowych od zakłóconych przypadkowo warunków ruchu pojazdów stanowi niezbędny element optymalizacji organizacji i sterowania transportu w centrach miejskich ze względu na zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska.

8 Literatura [] BUWAL, INFRAS AG: Luftschadstoffemissionen des Strassenverkehrs 95. BUWAL Bericht Nr. 55, 995. [] Bendat J.S., Piersol A.G.: Metody analizy i pomiaru sygnałów losowych. PWN. Warszawa 976. [3] Chłopek Z., Polichnowski T.: Badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń przez silniki pojazdów użytkowanych w miastach. Journal of KONES. [4] Chłopek Z., Polichnowski T.: Badania symulacyjne ruchu pojazdów w centrach miast. Teka Komisji Naukowo Problemowej Motoryzacji PAN. Kraków 3. [5] Chłopek Z., Polichnowski T.: Modelowanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się na skrzyżowaniach modelowanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się na skrzyżowaniach. Archiwum Motoryzacji 4/. [6] Chłopek Z., Polichnowski T.: Ocena wpływu organizacji ruchu pojazdów na skrzyżowaniach na emisję spalin. Rozdział w monografii Ekotechnologie XXI wieku pod red. I.Wiatr. Wydawnictwo Naukowe Gabriel Borowski. Nałęczów. [7] Chłopek Z., Polichnowski T.: Sterowanie ruchu pojazdów w miastach ze względu na zmniejszenie emisji zanieczyszczeń. Konferencja Naukowo Techniczna Pojazd a Środowisko. Radom 3. [8] Chłopek Z.: Ocena wpływu organizacji ruchu pojazdów drogowych na globalną emisję substancji szkodliwych dla środowiska naturalnego. Chemia i Inżynieria Ekologiczna T. 7, Nr 7/. [9] Sobczyk K.: Metody dynamiki statystycznej. PWN. Warszawa 973. [] Datka S., Suchorzewski W., Tracz M.: Inżynieria ruchu. WKŁ. Warszawa 999. [] INFRAS AG: Handbuch für Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs. Version.. Bern 999.