INFLUENCE OF CHANGE QUALITY ENGINES PASSENGER CARS ON TOXIC COMPOUNDS EXHAUST EMISSION

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3-4 INFLUENCE OF CHANGE QUALITY ENGINES PASSENGER CARS ON TOXIC COMPOUNDS EXHAUST EMISSION Marek Idzior Politechnika Poznańska Instytut Silników Spalinowych i Podstaw Konstrukcji Maszyn Poznań, ul. Piotrowo 3 tel.: (0-61) Marek.Idzior@put.poznan.pl Abstract The paper present results analysis of influence of change quality engines passenger cars on toxic compounds exhaust emission. Estimated total emission toxic compounds on teritory of Poznań. WPŁYW ZMIAN JAKOŚCIOWYCH SAMOCHODOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH NA EMISJĘ TOKSYCZNYCH SKŁADNIKÓW SPALIN Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki analizy wartości emisji toksycznych składników spalin pojazdów samochodowych uzyskane na podstawie pomiarów dużej liczby tych pojazdów, różnych roczników, eksploatowanych na terenie Poznania. Oszacowano globalną emisję tych składników spalin na terenie miasta z uwzględnieniem wpływu zmian jakościowych pojazdów w ostatnich latach. 1. Wprowadzenie Jednym z najważniejszych wyzwań współczesności jest ochrona środowiska naturalnego, tak niestety skutecznie niszczonego przez człowieka od początków jego działalności na naszej planecie. Znaczący udział w zanieczyszczeniu tego środowiska ma motoryzacja, która w wyniku spalania paliw węglowodorowych jest źródłem emisji do atmosfery dużej ilości szczególnie toksycznych gazów. Ciągle rosnące stężenie tych związków i ograniczenie możliwości ich asymilacji są przyczynami zmian klimatycznych i zakłócenia zjawisk przyrodniczych Ziemi. W wyniku spalania nośników energii do atmosfery przedostają się duże ilości produktów spalania. Jednym z nich jest dwutlenek węgla, który jest odpowiedzialny, między innymi, za powstanie efektu cieplarnianego. Gazy, które powodują ten efekt są gazami zwiększającymi radiacyjne działanie atmosfery: promieniowanie słoneczne o krótkiej długości fali może przejść czystą atmosferę prawie nie zatrzymane. Ilość i rodzaj substancji toksycznych, powstających w trakcie eksploatacji pojazdu, zależy głównie od typu silnika, rodzaju spalanego paliwa oraz wyposażenia pojazdu w urządzenia zmniejszające ilość substancji toksycznych (np. katalizatory). Nietrudno zauważyć, że samochody nowe, wykonane zgodnie z najnowszymi osiągnięciami konstrukcyjnymi i technologicznymi, są zdecydowanie mniej niebezpieczne dla środowiska. Najlepszym sposobem na ograniczenie tego typu zjawiska byłaby wymiana starego samochodu na nowy. Jednak jest to jednak, zwłaszcza z powodu ogólnego zubożenia społeczeństwa w kraju, bardzo ograniczone. I to pomimo różnego rodzaju promocji, akcji złomowania starych pojazdów, korzystnego ich doposażenia itd.

2 Pocieszający jest fakt, że w ostatnim okresie zanotowano pewien wzrost sprzedaży nowych samochodów. Może zwiastuje to początek końca kryzysu ekonomicznego, nie jest to jednak jeszcze proces stabilny i trudny do dalszego prognozowania. 2. Analiza zmian jakościowych populacji pojazdów Wyniki sprzedaży samochodów w Polsce w roku 2000 pokazały, iż niestety zaczęła się sprawdzać pesymistyczna prognoza z początku tego roku. Sprzedaż samochodów spadła w porównaniu z analogicznym okresem roku 1999 o ponad 13%. Od początku roku zarejestrowano samochodów osobowych, czyli o ponad 43 tysiące mniej niż w pierwszym półroczu roku Sprzedaż w samym czerwcu sztuk spadła w porównaniu z czerwcem roku poprzedniego o ponad 23%. Był to wynik bardzo niepokojący, gdyż czerwiec w ostatnich kilku latach był jednym z najlepszych miesięcy roku. Nie widać oznak ożywienia sprzedaży, a informacje przychodzące od producentów i dealerów nie napawają optymizmem. Według badań firmy Samar, obciążenia związane z zakupem i eksploatacją pojazdu wywołane podwyższeniem podatku akcyzowego na samochody i paliwa oraz inne związane z tym koszty przekroczyły poziom akceptowany przez rynek. Jeszcze gorzej spadła sprzedaż, zwłaszcza nowych pojazdów, w 2001 roku. W roku tym z polskich salonów wyjechało o 31,64 % mniej nowych samochodów niż w 2001 roku. Przeglądowe zestawienie liczba samochodów, w różnych grupach, w latach w Poznaniu przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1. Zestawienie liczby pojazdów w Poznaniu w latach Statement of numbers cars in Poznań in years Ogółem pojazdów Wzrost do poprzedniego roku Nowe pojazdy Używane z importu Liczba osobowych Wzrost nowych [%] 41,3 11,3 7,8 4,5-17,8-37,1 [%] nowych w ogółem 7,7 8,4 9,3 9,3 7,4 4,6 Tak więc względny, liczony do poprzedniego roku, wzrost sprzedaży nowych samochodów, który w roku 1996 wynosił aż 18,7 %, w ,3 %, ,8% i jeszcze w 1999 roku około 4,5% przeszedł w 2000 roku w spadek 17,8 % i w ,1 %. Tego nie przewidywali najwięksi pesymiści! A szkoda, ponieważ właśnie auta wyprodukowane w 2000 i 2001 roku będą w dużym stopniu decydować o lokalnej emisji związków toksycznych na obszarze dużych aglomeracji miejskich oraz globalnej, jeśli będziemy rozpatrywać ją na obszarze kraju. Można jednak zauważyć, że tendencja do odmładzania samochodów, widoczna cały czas na polskim rynku, choć w mniejszym stopniu niż w latach ubiegłych, nie pozostanie bez wpływu na ochronę środowiska naturalnego i czystości powietrza. Najbardziej jest to

3 odczuwalne na obszarach dużych aglomeracji miejskich, gdzie w ciągu powszedniego dnia na zatłoczone ulice wyjeżdżają dziesiątki tysięcy pojazdów emitujących tony związków toksycznych na godzinę, pomijając przy tym ruch tranzytowy, który w mieście takim jak Poznań, nie posiadającym obwodnicy całej aglomeracji, jest szczególnie uciążliwy dla mieszkańców i dla środowiska naturalnego. 3. Metodyka określania wartości emisji Dla zrealizowania przyjętego celu wykonano badania 252 egzemplarzy samochodów osobowych o zapłonie iskrowym. Badania prowadzono w zamkniętych pomieszczeniach, w warunkach stacji diagnostycznych na terenie Poznania. Pojazdy poddawane badaniom były rozgrzane. Pomiary prowadzono w dwóch stanach silnika: na biegu luzem, przy obrotach silnika obr/min. Dostosowując się do ogólnych możliwości stacji diagnostycznych wytypowano do mierzenia następujące wielkości: emisję CO w [%], emisję CO 2 w [%], emisję HC w [%], zawartość O 2 w [%], współczynnik nadmiaru powietrza λ. Jak wspomniano wyżej, badano tylko silniki samochodów osobowych o zapłonie iskrowym. Przykładowe wyniki badań przedstawiono w tablicach 2 i 3. W oparciu o dane zebrane jak przedstawione w tablicach 1,2,3 obliczono całkowitą emisję dla miasta Poznania dla lat 1996 do Należy tutaj dodać, że posłużono się tymi danymi z uwagi na brak dokładniejszych wyników i ograniczone możliwości badań. Tablica 2. Przykładowe wyniki pomiarów na biegu luzem Example results of a measurement at the light running Nr Marka Typ V przebieg rok pr CO CO2 HC O2 λ [ ] [ ] [ ] [cm3] [km] [ ] [%] [%] [ppm] [%] [ ] 1 Peugeot 406 kat ,02 15, ,11 1,003 2 Renault Clio ,62 8, ,82 1,423 3 Renault Laguna kat ,20 11, ,77 1,350 4 Daewoo Tico kat ,00 13,70 0 1,66 1,085 5 Citroen AX kat ,00 15, ,17 1,007 6 Fiat Punto kat ,00 14,40 5 0,97 1,047 Tablica 3. Przykładowe wyniki pomiarów przy prędkości obrotowej obr/min Example results of a measurement at engine speed rpm Nr Marka Typ V przebieg rok pr CO CO2 HC O2 λ [ ] [ ] [ ] [cm3] [km] [ ] [%] [%] [ppm] [%] [ ] 1 Peugeot 406 kat ,00 15, ,01 0,999 2 Renault Clio ,45 11, ,51 1,113 3 Renault Laguna kat ,46 14, ,27 1,044 4 Daewoo Tico kat ,01 12,80 2 3,03 1,165 5 Citroen AX kat ,02 14, ,24 1,008

4 Obliczenia te mają więc charakter orientacyjny. Przyjęto dla nich wyniki badania licznej grupy pojazdów o większej emisji, którą stanowią samochody starsze niż 5-cio letnie w nienajlepszym stanie technicznym oraz mniej licznej o zdecydowanie mniejszej emisji. Stanowią ją pojazdy nowe i prawie nowe, wyposażone w katalizatory spalin itd. Faktyczną sytuację pogarszają samochody ciężarowe i autobusy, których emisja jest zdecydowanie większa, tym bardziej, że duża część z nich,, stosunkowo większa niż w przypadku samochodów osobowych, jest w złym stanie technicznym. 4. Analiza wyników badań Na podstawie uzyskanych wyników badań sporządzono wykresy średniej emisji badanych toksycznych składników spalin biegu luzem oraz na podwyższonych obrotach rys. 1 i 2. Pomiarom nie podlegały bardzo szkodliwe i niebezpieczne tlenki azotu NO x, ponieważ nie umożliwiały tego dostępne przyrządy pomiarowe. Dla kilku samochodów z tego samego roku produkcji oraz tej samej pojemności skokowej silnika brano pod uwagę wartość średnią. Analiza wyżej przedstawionych wyników odnosi się więc dla następujących wielkości: emisja CO [%], emisja CO 2 [%], emisja HC [ppm]. Na rys. 3 przedstawiono natomiast średnią emisję składników szkodliwych w poszczególnych latach dla zbadanych pojazdów i na rys. 4 globalną średnią emisję składników szkodliwych dla miasta Poznania na podstawie danych o ilości zarejestrowanych samochodów. Przeprowadzona przez autora analiza wpływu zmian jakościowych populacji pojazdów w Poznaniu na emisję HC i CO potwierdza przypuszczenia o korzystnym wpływie tych zmian na stałe obniżanie analizowanych emisji. Potwierdzają to wyniki obliczeń przedstawione na rys. 3 i 4. Wyraźnie widoczna jest też, niestety, tendencja zmniejszania dynamiki korzystnych zmian w ostatnich dwóch latach. Jest to spowodowane niekorzystnymi skutkami gospodarczo ekonomicznej sytuacji kraju, powodującej duży spadek liczby zakupu nowych pojazdów i, w wyniku określonych zmian celnych, napływu dość dużej liczby pojazdów używanych. Obserwuje się pewne zahamowanie tych tendencji w bieżącym 2003 roku, być może wynika to z tego, że użytkownicy, którzy zakupili nowe pojazdy w korzystnym 1999 roku zaczęli je odnawiać. Oczywistym jest, że nowe silniki są coraz bardziej nowoczesne i oszczędne, tak więc i ich emisja substancji szkodliwych powinna maleć wraz z wiekiem samochodu (im młodszy samochód, tym mniejsza emisja). Jak wynika z przedstawionych wykresów emisja tlenków węgla CO oraz węglowodorów HC maleje niezależnie od pojemności skokowej silnika. Emisja dwutlenku węgla CO 2 w niektórych przypadkach rośnie, jest to jednak wielkość bezpośrednio mało szkodliwa dla zdrowia człowieka. Tendencja spadkowa CO i HC związana jest to z coraz ostrzejszymi normami prawnymi dotyczącymi emisji, które producenci samochodów i silników samochodowych muszą spełniać. Z wykresów 1 i 2 wyraźnie wynika, że mamy do czynienia z widocznym spadkiem emisji substancji szkodliwych przez samochody osobowe. Analizując rysunek 4 należy wziąć pod uwagę, że w ostatnich latach zanotowaliśmy załamanie na rynku motoryzacyjnym, co spowodowało zmniejszenie sprzedaży nowych samochodów, a także wzrost ilości starszych samochodów sprowadzanych z zagranicy. W obliczeniach wzięto pod uwagę tylko samochody nowo zarejestrowane w Poznaniu w latach Również średnia emisja składników szkodliwych w poszczególnych latach dla zbadanych pojazdów wykazuje wyraźne tendencje spadkowe.

5 Z rysunku 4 wynika, że obliczona porównawczo globalna emisja związków toksycznych ma tendencje zniżkową. Należy jednak wziąć pod uwagę, że przebadano określoną ilość samochodów osobowych z silnikami o zapłonie iskrowym, które przyjęto jako reprezentatywną dla całego miasta jedynie w celu przedstawienia wpływu zmian jakościowych pojazdów na globalną emisję. Rys.1. Średnia emisja składników szkodliwych na biegu luzem w poszczególnych latach dla zbadanych pojazdów Fig. 1. Mean emission of toxic components at the light running in particular years for the testing cars Rys. 2. Średnia emisja składników szkodliwych na podwyższonych obrotach w poszczególnych latach dla zbadanych pojazdów Fig. 2. Mean emission of toxic components at the light running in particular years for the testing cars

6 Rys. 3. Średnia emisja składników szkodliwych w poszczególnych latach dla zbadanych pojazdów Fig. 3. Mean emission of toxic components in particular years for the testing cars Rys. 4. Globalna emisja składników szkodliwych dla miasta Poznania Fig. 4. Total emission of toxic components for city Poznań

7 Zauważalna na wykresach jest w zasadzie niewiele zmieniająca się emisja dwutlenku węgla CO 2, przy jednak malejącej tendencji emisji CO i HC w rozpatrywanym okresie. Interesującą obserwacją jest, że istotnie maleje, pomimo spadającej dynamiki odnawiania pojazdów, emisja, jakże szkodliwego tlenku węgla CO. Potwierdzenie tego mamy na ulicach widoczny jest spadek eksploatowanych pojazdów, do tego starszych roczników, takich marek jak Syrena, FSO 125p, Trabant itd. 5. Zakończenie Ochrona środowiska jest w dzisiejszych czasach jednym z najważniejszych, o ile nie najważniejszym zadaniem, przed którym stoi człowiek w XXI wieku. Jest to o tyle ważny problem, ponieważ ciągle wzrasta jednak liczba ludności na Ziemi, powiększa się dziura ozonowa, w wyniku czego ociepla się klimat, topnieją lodowce itd. Z drugiej strony człowiek sam niszczy przyrodę poprzez postęp cywilizacyjny. Celem pracy było przedstawienie tendencji zmian emisji substancji szkodliwych spalin pojazdów samochodowych i ich porównanie na przestrzeni kilku lat, w aspekcie widocznych w ostatnich latach zmian jakościowych pojazdów w naszym kraju.. Stwierdzono, że ilość wydzielanych spalin jest coraz mniejsza, mimo tego, że samochodów przybywa. Świadczy o dużym postępie technicznym w dziedzinie zapobiegania emisji związków toksycznych. Niestety nowe, lepsze samochody są coraz droższe. i większości ludzi nie stać na ich zakup. Dlatego będzie dość ciężko ograniczyć globalną emisję substancji szkodliwych Pocieszający jest fakt, że w kraju, w ostatnim okresie, zanotowano wzrost sprzedaży nowych samochodów. Może to początek końca kryzysu ekonomicznego w Polsce. Potwierdza to zmniejszająca się emisja substancji szkodliwych w Poznaniu. Na globalną emisję związków toksycznych wpływ ma wiele czynników. Środowisko zatruwają nie tylko pojazdy samochodowe, ale także zakłady przemysłowe, które często stosują uciążliwe dla przyrody technologie. Faktyczna wielkość emisji substancji szkodliwych na terenie miasta Poznania jest trudna do określenia z tego powodu, że nie jesteśmy w stanie dokładnie stwierdzić, jaka jest całkowita emisja związków toksycznych we wszystkich pojazdach samochodowych. Należy wziąć pod uwagę także innych zatruwaczy atmosfery fabryki, które emitują do atmosfery ogromne ilości szkodliwych dla zdrowia związków. Wnioskiem końcowym może być to, że globalne zanieczyszczenie powietrza dla miasta Poznania i każdego innego miasta na świecie można określić jedynie szacunkowo. To także Daje to jednak istotną wiedzę na temat faktycznego stanu środowiska naturalnego i czystości powietrza atmosferycznego danego regionu. W silnikach spalinowych, mimo ciągłego rozwoju techniki, wciąż występują związki szkodliwe dla organizmu ludzkiego a także dla środowiska naturalnego. Jest ich oczywiście coraz mniej patrząc na pojedynczy pojazd samochodowy, ale patrząc na rozwój aglomeracji miejskich oraz coraz większą ilość samochodów na świecie, wciąż jest to ogromna ilość związków toksycznych. Stanowi to ciągłe wyzwanie producentom tych pojazdów. Literatura [1] Idzior M.: Wpływ zmian jakościowych pojazdów na zmniejszenie zanieczyszczenia atmosfery zależnego od temperatury ich rozruchu, Eksploatacja silników spalinowych. Zeszyt nr 6, Szczecin 2002