Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów samochodowych

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Mateusz Nowak Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów samochodowych Rozprawa doktorska Promotor: dr hab. inż. Jacek Pielecha, prof. PP Poznań 216

2 Spis treści Streszczenie... 3 Wykaz ważniejszych skrótów i symboli Wprowadzenie Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego Struktura rynku samochodowego w Polsce na tle Europy Zanieczyszczenie środowiska przez transport samochodowy Zastosowanie modeli emisji zanieczyszczeń w ocenie stanu środowiska Problematyka rozprawy, jej cel i zakres Metodyka badań Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń Obiekt badań Narzędzia badawcze Harmonogram badań Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Badania emisji związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą Przegląd zarejestrowanych wartości Analiza uzyskanych wyników Dwuwymiarowe charakterystyki natężenia emisji zanieczyszczeń Badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń z transportu drogowego Symulacje emisji zanieczyszczeń przejazdu przez miasto Symulacje emisji zanieczyszczeń przejazdu obwodnicą miejską Porównanie wyników symulacji przejazdu przez miasto i obwodnicą Zysk ekologiczny budowania nowej infrastruktury Emisja zanieczyszczeń podczas przejazdu przez miasto po wybudowaniu obwodnicy Korzyści ekologiczne wybudowania nowej infrastruktury dla potoku ruchu pojazdów Podsumowanie i kierunki dalszych badań Literatura Summary

3 Streszczenie Rozprawa stanowi nowoczesne ujęcie zagadnień związanych z oceną emisyjną istniejącej i nowo projektowanej infrastruktury drogowej. Wpisuje się jednocześnie w ogólnoświatowy trend ochrony środowiska przez zmniejszenie emisji toksycznych i szkodliwych składników spalin. Przez odpowiednie ukształtowanie dróg oraz zaprojektowanie infrastruktury drogowej, możliwe jest ograniczanie negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko przez zapewnienie bardziej płynnego przejazdu. Takie podejście jest spójne ze stosowaniem zasad eco-drivingu a jednoczesne wykorzystywanie obu tych metod może zaowocować jeszcze mniejszymi wynikami emisji spalin. Jednym z czynników decydujących o podjęciu niniejszej tematyki było spostrzeżenie, że podczas wykonywania raportów oddziaływania środowiskowego na etapie planowania infrastruktury drogowej, używane są przestarzałe metody szacowania emisji, wykorzystujące nieaktualne współczynniki emisyjne. Podczas realizacji pracy wykorzystano nowoczesną aparaturę badawczą i symulacyjną. Pomiary emisji w warunkach ruchu drogowego, obecnie określane jako RDE (Real Driving Emissions), przeprowadzono z wykorzystaniem aparatury typu PEMS (Portable Emission Measurement System). Tego typu podejście do pomiarów stanowi aktualny trend rozwoju metod badawczych, umożliwiających zmierzenie rzeczywistej emisji drogowej, znacząco różniącej się od emisji zmierzonej na hamowni podwoziowej przy ściśle określonych warunkach otoczenia. Badania symulacyjne emisji związków szkodliwych spalin przeprowadzono używając oprogramowania PTV Vissim. Wersja używanego programu była wyposażona w bazę emisyjną pojazdów różnych kategorii emisyjnych, przy czym na potrzeby pracy wykorzystano dane emisyjne dotyczące samochodu osobowego, spełniającego normę Euro 4, czyli analogicznego jaki był wykorzystany podczas pomiarów drogowych. W ramach pracy dokonano analizy problematyki badawczej oraz dostępnych metod oceny infrastruktury drogowej pod względem emisyjnym. W części badawczej w pierwszym etapie przeprowadzono ocenę emisyjną przejazdu przez miejscowość oraz obwodnicą miejską dla jednego obiektu badawczego. Dokonano porównania przejazdów pod względem ekologicznym (emisyjnym) i ekonomicznym (zużycia paliwa). Kolejny etap prac dotyczył symulacji przejazdu pojazdem przez miejscowość oraz jej obwodnicą, w wyniku czego dokonano weryfikacji wskaźników emisyjnych zaimplementowanych w programie ze wskaźnikami uzyskanymi z badań drogowych. Po przyjęciu wskaźników emisyjnych zgodnych z wynikami badań drogowych przystąpiono do symulacji przejazdu przez miasto i obwodnicę rzeczywistego potoku pojazdów, którego strukturę przyjęto na podstawie struktury rodzajowej pojazdów występującej na terenie kraju. Syntezą tych prac było porównanie emisji zanieczyszczeń podczas przejazdu przez miasto w przypadku już istniejącej nowej infrastruktury drogowej obwodnicy miejskiej.

4 Wykaz ważniejszych skrótów i symboli CF CNG CO CO 2 DPF e E ECE ECM ECU EOBD EU EUDC Euro HC S LDV LPG M o MPI n NDIR NDUV N e NEDC NO NO x OBD PC PEMS PM PN ppm RDE SAE SUV t TEN-T Conformity Factor wskaźnik emisji zanieczyszczeń pojazdu Compressed Natural Gas sprężony gaz ziemny tlenek węgla dwutlenek węgla Diesel Particulate Filter filtr cząstek stałych emisja jednostkowa zanieczyszczeń natężenie emisji zanieczyszczeń Economic Commission for Europe Europejska Komisja Gospodarcza Engine Control Module moduł pomiarowo-sterujący silnika Electronic Control Unit elektroniczny sterownik (silnika); główny mikrokontroler sterujący pracą silnika i układów redukcji spalin; miejsce implementacji pokładowych systemów diagnostycznych European On-Board Diagnostic europejski system diagnostyki pokładowej European Union Unia Europejska Extra Urban Driving Cycle pozamiejski europejski test jezdny normy emisji spalin w Europie węglowodory długość odcinka pomiarowego Light Duty Vehicle lekki użytkowy pojazd samochodowy o liczbie miejsc do 12 (według klasyfikacji amerykańskiej) Liquefied Petroleum Gas skroplone paliwo gazowe moment obrotowy silnika Multi Point Injection wtrysk wielopunktowy prędkość obrotowa Non-Dispersive Infrared niedyspersyjny na podczerwień Non-Dispersive Ultraviolet niedyspersyjny na ultrafiolet moc użyteczna silnika New European Driving Cycle nowy europejski cykl jezdny zmodyfikowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem spalin tlenek azotu tlenki azotu On-Board Diagnostic diagnostyka pokładowa (pokładowy system diagnostyczny) Passenger Car samochód osobowy Portable Emission Measurement System mobilny system analizatorów spalin Particle Mass masa cząstek stałych Particle Number liczba cząstek stałych parts per million liczba części na milion Real Driving Emissions pomiar emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego Society of Automotive Engineers Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych Sports Utility Vehicle samochód o przeznaczeniu sportowym czas Trans-European Transport Networks transeuropejska sieć transportowa

5 Wykaz ważniejszych skrótów i symboli 5 u UDC UE V ZI ZS współczynnik udziału Urban Driving Cycle europejski miejski cykl jezdny Unia Europejska prędkość pojazdu zapłon iskrowy zapłon samoczynny współczynnik nadmiaru powietrza

6 1. Wprowadzenie Polska z racji swojego położenia w centralnej części Europy, jest terytorium, przez które prowadzą międzynarodowe szlaki komunikacyjne łączące wschód z zachodem i północ z południem kontynentu. Położenie to jest szansą rozwoju, ale też niesie wiele zagrożeń. Jednym z czynników wzrostu gospodarczego państw Europy środkowo- -wschodniej stał się również wzrost natężenia ruchu na drogach, w tym pojazdów ciężkich. Wiele dróg w Polsce, będących szlakami tranzytowymi, prowadzi przez tereny cenne przyrodniczo, przecina szlaki migracji zwierząt i korytarze ekologiczne. Wpływa to niekorzystnie na środowisko naturalne, powodując jego degradację. Członkostwo w Unii Europejskiej przyspieszyło realizację programu poprawy infrastruktury komunikacyjnej w Polsce. Największe natężenie ruchu notuje się na drogach krajowych łączących duże miasta w Polsce, przy czym zazwyczaj ruch zwiększa się (nawet do 2%) w obrębie aglomeracji miejskich [93]. Na podstawie badań wykonywanych w ramach Generalnego Pomiaru Ruchu, na wielu drogach krajowych natężenie ruchu przekracza 15 tys. pojazdów na dobę (rys. 1.1a). Dodatkowo na wielu drogach odnotowano natężenie ruchu powyżej 1 tys. pojazdów na dobę (rys. 1.1b). Należy się spodziewać, że w przeciągu kilku najbliższych lat na większości z tych tras odnotuje się wzrost średniego dobowego natężenia ruchu [21]. Rys Mapa drogowa Polski z zaznaczonymi trasami o średniodobowym natężeniu ruchu wynoszącym ponad 15 tys. pojazdów (a) oraz 1 tys. pojazdów (b) [21] Do przeprowadzonego w 215 roku Generalnego Pomiaru Ruchu [75] w 1952 punktach pomiarowych (zlokalizowanych na całej sieci dróg krajowych oddanych do użytkowania przed 1 lipca 215 roku) wykorzystano pomiary automatyczne, dane z Punktów Poboru Opłat na autostradach płatnych oraz rejestrację z użyciem kamer wideo. Najważniejsze informacje i wnioski otrzymane na podstawie uzyskanych wyników są następujące (rys. 1.2): średni dobowy ruch roczny pojazdów silnikowych w 215 roku na sieci dróg krajowych wynosił pojazdów na dobę; zanotowano duże różnice w obciążeniu sieci dróg krajowych w poszczególnych województwach; zdecydowanie największe obciążenie ruchem, wynoszące ponad 2 pojazdów na dobę, wystąpiło w województwie śląskim, mazowieckim i wielkopolskim, a najmniejsze, poni-

7 1. Wprowadzenie 7 żej 8 pojazdów na dobę w województwach: warmińsko-mazurskim, podlaskim oraz zachodniopomorskim; podobna tendencja ma się utrzymać w ciągu kilku kolejnych lat (rys. 1.2b); w okresie ruch na drogach krajowych wzrósł o 14%; zmiany w wielkości ruchu pojazdów poszczególnych kategorii były zróżnicowane: największy wzrost ruchu zanotowano dla samochodów ciężarowych z przyczepami, samochodów osobowych oraz motocykli, odpowiednio o 18%, 17% i 15%; dla samochodów ciężarowych bez przyczep, autobusów i ciągników rolniczych odnotowano zmniejszenie ruchu, odpowiednio o 13%, 1% i 9%; w 215 roku nastąpiła poprawa warunków ruchu na drogach krajowych jednojezdniowych; do roku 21, pomimo sukcesywnego oddawania do eksploatacji wielu odcinków dróg szybkiego ruchu, inwestycje nie nadążały za wzrostem ruchu, co powodowało, że długość dróg jednojezdniowych obciążonych ruchem powyżej 15 pojazdów na dobę stale się zwiększała; w roku 2 takich odcinków było 497 km, w roku km, a w roku km; w 215 roku tendencja ta odwróciła się i długość dróg jednojezdniowych obciążonych ruchem powyżej 15 pojazdów na dobę zmalała o 433 km; w 215 roku występowała duża koncentracja ruchu na wybranych drogach krajowych; drogi o długości 27 km, stanowiące tylko 15% sieci dróg krajowych, przenosiły aż 4% pracy przewozowej na całej sieci dróg krajowych. Rys Mapa drogowa Polski z zaznaczonymi trasami o różnym średniodobowym natężeniu ruchu [pojazdów/dobę]: (a) dla roku 215, (b) przewidywania na rok 22 [75] Natężenie ruchu pojazdów, jego płynność oraz udział pojazdów ciężkich odgrywają główną rolę w poziomie zanieczyszczenia powietrza. Problem ponadnormatywnego zanieczyszczenia powietrza związkami pochodzącymi ze spalin dotyczy głównie wielkich aglomeracji miejskich, gdzie natężenie ruchu jest największe. Przekroczenie norm na trasach pozamiejskich dotyczy tylko terenów przyległych bezpośrednio do drogi. Zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza uzyskuje się przez zmniejszenie emisji spalin z pojazdów i ograniczenie rozprzestrzeniania się spalin. Rozpatruje się w tym względzie następujące czynniki [95]: postęp techniczny w konstrukcji silników (m.in. zmniejszenie zużycia paliwa, stosowanie alternatywnych źródeł napędu), zwiększenie płynności jazdy (m.in. stosowanie zielonej fali, likwidacja wąskich gardeł, kanalizowanie lub odkolizyjnianie skrzyżowań) poprzez unikanie konieczności gwałtownego hamowania i przyspieszania, która występuje zwykle

8 1. Wprowadzenie 8 na trasach o dużym obciążeniu ruchem, nieadekwatnym do klasy drogi; poprawa płynności jazdy zmniejsza emisję szkodliwych substancji nawet o kilkadziesiąt procent, ograniczenie ruchu pojazdów ciężkich (promocja transportu kombinowanego), projektowanie pasów zieleni izolacyjnej; zanieczyszczenia są skutecznie pochłaniane przez zwarte pasy zieleni izolacyjnej o szerokości od 1 do 2 m; zieleń izolacyjna pochłania ponad 6% pyłów wytwarzanych przez pojazdy (dotyczy to zarówno cząstek stałych, jak i pyłów powstających z okładzin hamulcowych). Skala problemów wynikających z działalności transportu skłania do pilnego ograniczania jego wpływu na środowisko przyrodnicze. Działania zaradcze związane z ograniczaniem i eliminowaniem zagrożeń wynikających z działalności transportu powinny polegać na jednoczesnym wdrażaniu wielu rozwiązań pozwalających maksymalizować szansę osiągnięcia założonego celu ograniczenia ingerencji transportu w środowisko przyrodnicze (degradacja i zanieczyszczenie), jak i społeczne (zdrowie i bezpieczeństwo) przy realizowaniu zapisów Europejskiej Polityki Transportowej [18, 19] i Polityki Transportowej Państwa na lata [72]. Wśród najważniejszych powinny znaleźć się takie działania, jak [8, 13]: Rozdzielanie ruchu tranzytowego oraz lokalnego. Przy bardzo dynamicznym wzroście wskaźnika motoryzacji zauważalne jest w coraz większym stopniu przenikanie się ruchu lokalnego z ruchem tranzytowym, co znacząco wpływa na przyspieszenie wyczerpywania się przepustowości istniejącego układu drogowego oraz pogarszania się bezpieczeństwa ruchu drogowego. Na większości dróg przechodzących przez mniejsze miejscowości, ze względu na brak alternatywnych połączeń lokalnych widoczne jest pełnienie przez nie wszystkich możliwych funkcji jednocześnie: tranzytowej, rozprowadzającej i dojazdowej. Dodatkowo zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) w sprawie unijnych wytycznych dotyczących rozwoju transeuropejskiej sieci transportowej, ustalono korytarze transportowe stanowiące część bazowej transeuropejskiej sieci transportowej TEN-T. W związku z powyższym niezbędna jest rozbudowa istniejącego układu drogowego do parametrów technicznych pozwalających sprawnie obsłużyć ruch tranzytowy o zasięgu regionalnym, krajowym i europejskim. Budowa obwodnic. Budowa obwodnic powinna skoncentrować się głównie na miejscowościach leżących w ciągach dróg krajowych (w szczególności będących częścią transeuropejskiej sieci transportowej TEN-T) oraz wojewódzkich charakteryzujących się największym natężeniem ruchu [15]. Działania te przyczynią się do poprawy dostępności komunikacyjnej oraz poprawy połączeń komunikacyjnych głównych miast kraju. Inwestycje te zapewnią możliwość rozwoju gospodarczego i społecznego obszaru przez skrócenie czasu podróży, zmniejszenie natężenia ruchu oraz usprawnienie przejazdu w miejscowościach, jak również zwiększą bezpieczeństwo ruchu przy jednoczesnym uwzględnieniu wymogów ochrony środowiska. Działania ograniczające ruch w miastach. Zapobieganie zagęszczania się ruchu drogowego w miastach powinno odbywać się przede wszystkim przez wzmacnianie roli transportu publicznego, tj. działania dążące do osiągania akceptowalnych społecznie czasów dojazdu do miast, miejsc pracy i innych ośrodków społecznej aktywności. Jednocześnie poprawie powinna ulec jakość świadczonych usług oraz wykorzystanie istniejącej infrastruktury kolejowej. Ważną rolę przy ograniczaniu ruchu w miastach powinna również stanowić długofalowa polityka miast mająca na celu tworzenie i rozwijanie przyjaznych rozwiązań dla pieszych oraz rowerzystów.

9 1. Wprowadzenie 9 Uspokajanie ruchu w obrębie ścisłego centrum oraz osiedli mieszkalnych w miastach. Nadmierna prędkość pojazdów, szczególnie w obszarach zabudowanych, jest jednym z głównych zagrożeń bezpieczeństwa ruchu drogowego. Aby ograniczenie prędkości było skuteczne, musi być sankcjonowane przez środowisko drogi. Geometria drogi, organizacja ruchu i otoczenie drogi muszą być odzwierciedleniem ograniczenia prędkości i muszą być zaprojektowane w sposób zapewniający warunki ruchowe odpowiednie dla tej prędkości i zapobiegające poruszaniu się z większymi prędkościami. Zwiększenie prędkości przejazdowej połączeń autobusowych. Zwiększenie prędkości handlowej jest niezbędne, aby transport autobusowy uczynić konkurencyjnym względem transportu indywidualnego. Wpływ na to mogą mieć działania dążące do preferowania takiego rodzaju transportu nadając jej możliwość priorytetowego przejazdu. Działania, które należy podjąć w pierwszej kolejności to przede wszystkim wydzielenie (wytyczenie) pasów autobusowych (buspasów) oraz traktowane priorytetowo autobusów na skrzyżowaniach z sygnalizacją świetlną [16]. Innym czynnikiem wpływającym na zwiększenie prędkości przejazdowej połączeń autobusowych jest poprawa wprowadzenia kursów przyspieszonych oraz zwiększenie liczby przystanków na żądanie ; działania takie powinny być poprzedzone szczegółowymi badaniami popytu. Zwiększanie dostępności miejsc parkingowych. Generowanie większego ruchu samochodów przyczynia się do większej ilości spalin oraz nadmiernego hałasu, co przekłada się na pogorszenie jakości życia mieszkańców [32]. Główną przyczyną utrudniającą dostęp do miejsc parkingowych jest wykorzystywanie ich przez pojazdy pozostawiane na wiele godzin. W związku z tym niezbędnym wydaje się wprowadzanie pewnych ograniczeń czasowych w zakresie ich bezpłatnego wykorzystywania. Rozwiązaniem może być wyznaczanie płatnych stref parkowania lub bezpłatnego ich wykorzystania jednak przy założeniu ograniczeń czasowych np. bezpłatne pierwsze 15 3 min. Jednocześnie należy dążyć do uporządkowania istniejących miejsc parkingowych przez ich czytelne wyznaczenie, co wpłynie na poprawę wykorzystania często bardzo ograniczonej powierzchni w centrach miast. Mimo tego, że w Polsce w latach odnotowano ponad 2-procentowe zwiększenie sieci autostrad i dróg ekspresowych, to krajowa infrastruktura drogowa nadal wymaga nakładów na rozwój i modernizację. Nowe przedsięwzięcia istotnie zwiększają drożność dróg krajowych oraz spełniają oczekiwania obywateli związane z komfortową, szybką i bezpieczną komunikacją. Głównym celem Programu budowy dróg krajowych na lata (z perspektywą do 225 r.) [98] uchwalonego w 215 roku jest budowa spójnego i nowoczesnego systemu dróg krajowych, zapewniającego efektywne funkcjonowanie drogowego transportu osobowego i towarowego. Program dokonuje diagnozy stanu obecnego sektora drogowego, definiuje zarówno cele planowane do osiągnięcia, jak i kluczowe obszary stanowiące tzw. wąskie gardła w transporcie osobowym i towarowym. Dokument zakłada dokończenie budowy ciągów dróg ekspresowych i autostrad oraz budowę kilkudziesięciu obwodnic w ciągach dróg krajowych. Realizacja wszystkich zadań inwestycyjnych pozwoli na stworzenie sieci autostrad oraz dróg ekspresowych w ramach ciągów komunikacyjnych: A1, A2, A4, A18, S1, S2, S3, S5, S6, S7, S8, S1, S11, S12, S17, S19, S22, S51, S61, S69 oraz S74. Ponadto w Programie znajduje się lista zadań inwestycyjnych z zakresu poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego tzw. Program Likwidacji Miejsc Niebezpiecznych. Aby ten cel zrealizować przewidziano:

10 1. Wprowadzenie 1 budowę brakujących odcinków dróg ekspresowych i autostrad oraz obwodnic: ma powstać 39 km nowych odcinków autostrad i dróg ekspresowych oraz 57 nowych obwodnic miejscowości najbardziej obciążonych ruchem, skrócenie średniego czasu przejazdu między ośrodkami wojewódzkimi o co najmniej 15%, ograniczenie liczby zabitych w wypadkach komunikacyjnych o co najmniej 4% i ciężko rannych o co najmniej 41%, połączenie miast wojewódzkich z Warszawą autostradami lub drogami ekspresowymi. Realizacja projektów zaplanowanych w wymienionym dokumencie pozwala w wielu miejscach przesunąć ruch tranzytowy z centrów miast na nowo budowane obwodnice oraz poprawić płynność komunikacji samochodowej. Najważniejsze działania podejmowane przy tej okazji to budowa nowych obwodnic oraz modernizacja już istniejących. Inwestycje w budowę obwodnic pozwalają w dużych miastach skierować około 9% całego ruchu tranzytowego samochodów osobowych i ciężarowych poza miasto. Ruch w miastach nieposiadających obwodnic stanowi bardzo poważne obciążenie dla infrastruktury drogowej, będąc jednocześnie źródłem znacznego hałasu i zanieczyszczenia powietrza. Jednakże budowa obwodnicy nie ogranicza się jedynie do budowy np. nowej drogi jednopasmowej lub dwupasmowej, ale obejmuje też m.in. budowę wiaduktów nad obwodnicą i w ciągu obwodnicy oraz skrzyżowań i dróg dojazdowych, a także rozwiązań podnoszących bezpieczeństwo ruchu oraz zapewniających lepszą ochronę środowiska. W Polsce w latach zaplanowano budowę 12 nowych obwodnic, zlokalizowanych w najbardziej newralgicznych punktach tranzytowanych (rys. 1.3). Rys Lokalizacja budowy nowych obwodnic w Polsce w latach [49] Zagadnienia poruszane w pracy, a dotyczące wpływu infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów samochodowych wpisują się w aktualność problematyki dotyczącej poszukiwania metod zmniejszających obciążenie środowiska przez transport drogowy i poszukiwania sposobów ukierunkowanych na rozwiązania proekologiczne (zagadnienie to rozpatrywano m.in. w publikacji [33]). Opracowanie metody oceny ekologicznej nowotworzonej infrastruktury drogowej (w tym budowy obwodnic) i jej

11 1. Wprowadzenie 11 wpływu na poziom obciążenia środowiska pozwoli na rozszerzenie wiedzy na ten temat, nie tylko pod względem zużycia paliwa, ale jednocześnie z uwzględnieniem emisji zanieczyszczeń gazowych emitowanych z pojazdów samochodowych. Jedną z podstawowych przesłanek budowy obwodnic jest usunięcie ruchu tranzytowego przez śródmieścia miast na tereny podmiejskie po to, aby usprawnić przepływ potoków ruchu, skrócić czasy jazdy, zmniejszyć liczbę wypadków i uciążliwości środowiskowe. Z drugiej strony projekty obwodnic powodują liczne protesty społeczne nie tylko właścicieli terenów i posesji, przez które mają one przechodzić, ale także tych, którzy utracą miejsca pracy i poniosą straty ekonomiczne z powodu wyprowadzenia ruchu tranzytowego ze śródmieścia (ocena społecznych efektów budowy obwodnic przedstawiona została przez Tracza i Michalika w publikacji [97]). Istnieje pilna potrzeba racjonalizacji procesu decyzyjnego oraz projektowania obwodnic i przekształceń lokalnych sieci dróg. Uwzględniając duże koszty budowy obwodnic i ich planowaną liczbę, konieczne jest stworzenie narzędzi planowania, projektowania i analiz, zmieniających dotychczasową złą i nieracjonalną praktykę, która powinna także obejmować przekształcanie dotychczasowych przejść drogowych przez miejscowości. Opracowanie narzędzia wspomagającego podejmowanie decyzji inwestycyjnych oraz oceny jest głównym założeniem pracy, gdyż jego zastosowanie zmieni nie tylko trafność wyboru miejsc do realizacji obwodnic, ale także ich rozwiązań i zwiększy efektywność ekonomiczną budowanych nowych obwodnic oraz ochronę środowiskową otoczenia. Narzędzie wspomagania decyzji odnosić się będzie do zasad planowania i projektowania obwodnic oraz zasad przekształceń odcinków przejść drogowych przez miejscowości, ponieważ tylko ich łączne traktowanie gwarantuje uzyskanie korzystnych efektów w zakresie zużycia energii i zmniejszania uciążliwości środowiskowych. W pracy podjęto próbę wyznaczenia korzyści ekologicznych odnoszących się do zmian w infrastrukturze drogowej, przy czym zmiany te dotyczyły tylko jednego konkretnego przypadku budowy nowych obwodnic miejscowości. Na przykładzie wybranego miasta obwodnicy Żyrardowa dokonano ekologicznej oceny wykonania takiego przedsięwzięcia. Do zrealizowania tego celu należało wykonać działania mające na celu określenie struktury rynku samochodowego w Polsce (opisane w kolejnych rozdziałach), tak aby przedstawiony algorytm postępowania można było zastosować do innych podobnych realizacji zawartych w planie budowy dróg i autostrad. Dla tak przygotowanych danych zweryfikowano możliwości oceny ekologicznej inwestycji przez wyznaczenie danych użytych do wykonania całościowego zadania. Weryfikacja polegała na ocenie wielkości emisji zanieczyszczeń z pojazdów, albo z dopuszczalnych wartości emisji drogowej określonych w odpowiednich normach toksyczności spalin, albo z wykorzystaniem danych uzyskanych z pomiarów tych wielkości w rzeczywistych warunkach ruchu pojazdów. Wynik takiego postępowania uzyskany z badań wstępnych (na podstawie aglomeracji poznańskiej i wcześniejszych badań prowadzonych w tym kierunku) wskazał, że dokładniejsze wyniki uzyskuje się przy wyborze danych uzyskanych bezpośrednio z pomiarów emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego. Na tej podstawie przygotowano metodykę badań do ekologicznej oceny nowej infrastruktury drogowej i przeprowadzono badania, które są tematem niniejszej dysertacji.

12 Liczba pojazdów w Polsce [mln sztuk] Udział w rynku samochodów osobowych [-] 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 2.1. Struktura rynku samochodowego w Polsce na tle Europy Obserwowany w ostatnich latach w Polsce wzrost liczby pojazdów samochodowych w dużej mierze wynika ze wzrostu liczby pojazdów osobowych, które od kilku lat stanowią trzy czwarte wszystkich pojazdów (w 215 roku było ich około 2 mln, przy średniej w Europie 9,5 mln pojazdów przypadające na jedno państwo) [74]. W Polsce w 215 roku zarejestrowano 355 tys. nowych i ponad 79 tys. używanych samochodów osobowych oraz 92 tys. samochodów ciężarowych (w tym dostawczych) oraz ciągników drogowych (rys. 2.1). Zarówno w Polsce, jak i w Europie przeważają samochody osobowe (napędzane w większości silnikami o zapłonie iskrowym), które stanowią około 8% wszystkich pojazdów. Kolejną grupę stanowią pojazdy ciężkie, stanowiące około 12% populację pojazdów (rys. 2.2) LDV+HDV PC Udział PC Udział samochodów osobowych w Europie (,77),8, Średnia liczba pojazdów w krajach europejskich (9,5 mln sztuk),4 5, Lata Rys Struktura parku pojazdów w Polsce [94], 4,9%,7%,4% 1,4% 12,% Polska (215) Pojazdy lekkie Pojazdy ciężkie Ciągniki rolnicze Autobusy Motocykle Inne 11,7% 4,6% 5,4%,5%,8% Europa (215) Poja zdy lekki e Poja zdy cięż kie 8,5% Benzynowe 45% Diesel 38% LPG, CNG 17% Benzynowe 54% Diesel 41% LPG, CNG 5% 77,1% Rys Struktura pojazdów w Polsce i w Europie w roku 215 [13]

13 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 13 W parku samochodów osobowych 45% stanowią modele z silnikami benzynowymi, 38% to silniki zasilane olejem napędowym, a zasilanie paliwem gazowym stanowią 17%. Wśród pojazdów najmłodszych, liczących do czterech lat, zasilane benzyną stanowią 56% udziału, a olejem napędowym 39%, natomiast zasilanie gazem ziemnym to 4% floty. Pojazdy hybrydowe stanowią 1% tego segmentu. W grupie pojazdów mających od pięciu do dziesięciu lat najliczniejsze są zasilane olejem napędowym (54% udziału). W grupie wiekowej 11 2 lat na samochody z napędem benzynowym przypadło 46% udziału, a na pojazdy zasilane olejem napędowym 34% (zasilanie paliwem gazowym to 19%). Wśród samochodów mających ponad 2 lat najpopularniejsze były modele z silnikiem benzynowym (46% udziału), zasilane paliwem gazowym (27%) oraz zasilane olejem napędowym (21%). Do powiększenia parku samochodowego przyczynił się przede wszystkim import prywatny z zagranicy. W 214 roku na 1 mieszkańców Polski przypadało 599 samochodów osobowych. To więcej niż średnia dla całej Unii Europejskiej oraz państw EFTA (Norwegia, Szwajcaria, Islandia), która wynosi 564 auta na 1 mieszkańców. Masowo sprowadzane używane samochody niekorzystnie wpływają na strukturę wiekową pojazdów. Od wejścia Polski do Unii Europejskiej, w przywozie przeważają samochody mające ponad 4 lata (94 proc. w roku 215), dlatego park samochodowy w Polsce starzeje się (rys. 2.3). 56% Polska średni wiek sprowadzonego pojazdu lat (w 215) 6% - 4 lat 4-1 lat ponad 1 lat 38% Rys Analiza rynku samochodów sprowadzonych do Polski w 215 roku [1] Samochody osobowe 4-letnie lub młodsze (spełniające normę emisji spalin Euro 6 lub Euro 5) stanowiły w Polsce na koniec 215 roku 9% parku pojazdów osobowych (rys. 2.4). Samochody spełniające normę Euro 4 (mające od pięciu do dziesięciu lat) stanowiły 12% parku, a pojazdy liczące ponad 1 lat 79% wszystkich pojazdów (w tym na najstarsze, mające ponad 2 lat przypadło 31%). Starzejący się od wielu lat park samochodowy zasilany jest głównie przez import, w którym przeważają auta mające ponad 1 lat. Konsekwencje utrzymywania starego parku samochodów (ponad połowa pojazdów spełnia jedynie normy emisji spalin Euro 2 i Euro 3) ponoszą nie tylko właściciele samochodów, ale i społeczeństwo. Wyeksploatowane pojazdy są mniej bezpieczne i nieekologiczne emitują znacznie więcej zanieczyszczeń niż pojazdy nowe. W Europie udział pojazdów do 6 lat stanowi około 33% (Euro 6 i Euro 5), jednocześnie niewiele mniejszy jest udział pojazdów z przedziału wieku 5 1 lat (Euro 4). Pojazdów starszych niż 1 lat, spełniających limity emisji Euro 3 Euro, jest około 34% (rys. 2.4).

14 Pojazdy według typu zasilania paliwem [mln szt.] 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 14 12% 22% 19% 1% 8% Polska średni wiek pojazdu 14,2 lat (w 215) 12% 26% Euro 6 Euro 5 Euro 4 Euro 3 Euro 2 Euro 1 Euro 5% 2% 1% 3% 26% Euro 6 3% Europa średni wiek pojazdu 9,7 lat (w 215) Rys Kategorie emisyjne samochodów osobowych w Polsce i w Europie [4, 27] 33% Euro 5 Euro 4 Euro 3 Euro 2 Euro 1 Euro W 215 roku pojazdy z silnikami zasilanymi olejem napędowym zmniejszyły swój udział w rynku krajowym; liczba rejestracji pojazdów z takimi silnikami zmniejszyła się o 1,2%, a biorąc pod uwagę ponad 8-procentowy wzrost całego rynku, udział tego napędu w rejestracjach zmalał o 3 punkty procentowe w stosunku do roku poprzedniego (rys. 2.5). Zwiększył się natomiast udział w pierwszej rejestracji pojazdów z silnikiem benzynowym do 63,3%. Liczba rejestracji w stosunku do 214 roku wzrosła o 13,3% do 224,6 tys. sztuk pojazdów. Zwiększyła się też liczba pojazdów nowo rejestrowanych z fabrycznymi instalacjami LPG. Liczba rejestracji wzrosła do 5,5 tys. sztuk, co oznacza 15,8-procentowy wzrost w stosunku do roku poprzedniego. Brak natomiast zainteresowania pojazdami zasilanymi gazem ziemnym w roku 215 zarejestrowano 6 takich samochodów, a rok wcześniej 14. Odnotowano większe zainteresowanie pojazdami hybrydowymi liczba rejestracji tych samochodów przekroczyła 5,4 tys. sztuk i była o 4,4% większa niż w 214 roku. Udział pojazdów hybrydowych w całości rejestracji samochodów osobowych wynosił 1,5% (rys. 2.6) ,52 1,81 11, Średnia liczba pojazdów zasilanych benzyną w krajach europejskich (5,2 mln szt.) Średnia liczba pojazdów zasilanych olejem napędowym w krajach europejskich (3,9 mln szt.) 5,68 2 3,87 4, Benzyna Olej napędowy Rys Samochody osobowe z podziałem na rodzaj paliwa w Polsce na tle Europy [4]

15 6 Nowe rejestracje pojazdów [szt.] Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego x 1,1 x średnia wartość w krajach Europy 1 x 1,7 x 2 x x Benzynowe Diesel LPG CNG Hybrydowe Elektryczne Rys Rejestracje nowych aut osobowych według rodzaju napędu w Polsce na tle Europy [13, 27, 81] Polska należy do grupy państw, w którym średnia prędkość jazdy w dużych miastach kształtuje się na poziomie 3 4 km/h. Najmniejszą wartość średniej prędkości pojazdów w roku 214 odnotowano we Wrocławiu (wynosiła ona 28 km/h), natomiast największą wartość odnotowano dla Gdańska (37 km/h). Poznań klasuje się na trzecim miejscu pod względem średniej prędkości jazdy w mieście (29 km/h). Są to wartości zbliżone do prędkości jazdy pojazdów w centrum miast państw europejskich, dla których np. w Londynie średnia prędkość jazdy w centrum wynosi 19 km/h (a w ścisłym centrum 7 km/h), natomiast w Berlinie 24 km/h (rys. 2.7). Londyn 19 Paryż 31 Berlin 24 Poznań Warszawa Barcelona 35 Rzym 3 Rys Średnia prędkość jazdy w największych miastach europejskich Przedstawione powyżej rozważania potwierdzają konieczność rozpatrywania kwestii emisji zanieczyszczeń z transportu rozdzielnie w stosunku do krajów całej Unii Europejskiej, co wynika głównie ze zupełnie innej struktury parku samochodowego i warunków ruchu występujących na terenie tych państwa (w tym Polski).

16 Liczba samochodów osobowych w Polsce [mln szt] 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego Zanieczyszczenie środowiska przez transport samochodowy Kraje Unii Europejskiej szczególną troskę poświęcają od wielu lat ochronie środowiska naturalnego, zagrożonego rozwojem cywilizacyjnym naszego globu. Mała szkodliwość oddziaływania na środowisko coraz częściej decyduje o rynkowym sukcesie danego obiektu technicznego, czy też produktu. Transport jako system oraz środki transportu należą do tej branży gospodarki, która generuje do otoczenia wiele zanieczyszczeń, degradując w ten sposób środowisko naturalne. Wynika to przede wszystkim z faktu powszechnego stosowania silników spalinowych jako źródeł napędu pojazdów. Uzasadnieniem podjęcia szczegółowej analizy dotyczącej wpływu transportu samochodowego na zanieczyszczenie środowiska jest fakt, że najnowsze prognozy, pomimo pojawiania się doniesień o nowych generacjach pojazdów wykorzystujących alternatywne układy napędowe, nie zakładają w najbliższym czasie wycofania silników spalinowych z pojazdów. Przykładowo, na rysunku 2.8 przedstawiono prognozowany udział pojazdów wykorzystujących silniki spalinowe i inne źródła energii do napędu samochodów osobowych zarejestrowanych w Polsce na przestrzeni lat Wynika z niego, że w roku 23 w Polsce w ponad 9% pojazdów do ich napędu będą wykorzystywane silniki spalinowe i można przypuszczać, że w innych krajach silniki spalinowe także pozostaną dominującym źródłem napędu w samochodach osobowych oraz ciężarowych. Prognoza przygotowana przez firmę McKinsey [5] zakłada, że w Europie w 23 roku ok. 87% pojazdów będzie napędzana silnikami spalinowymi ,6 3,6 3,3 3,1 2,5 5,9 6,2 5,9 5, 3,9 1,5 11,1 11,7 12,2 12,6 Elektryczne CNG LPG ZS ZI Rys Liczba pojazdów w Polsce w roku 21 oraz prognozowana liczba pojazdów osobowych z podziałem na rodzaj użytego napędu w latach [5] Wprowadzane w życie regulacje techniczne i operacyjne mogą mieć zarówno pozytywne, jak i negatywne konsekwencje. Dobrze ustalone przepisy powinny mieć pozytywny wpływ na ochronę środowiska naturalnego, ale charakter oddziaływania regulacji zależy także od tego, z czyjego punktu widzenia będzie się ten wpływ oceniać. Pozytywne efekty regulacji prawnych widoczne są zwłaszcza na przykładzie zmiany limitów emisji zanieczyszczeń (rys. 2.9). Transport samochodowy, który z wszystkich gałęzi transportu podlega najostrzejszym regulacjom przepisów, odnotował znacznie korzystniejsze zmniejszenie emisji zanieczyszczeń niż pozostałe gałęzie transportu, a tym samym również większe średnie ograniczenie emisji dla wszystkich gałęzi. Wprowadzenie norm emisji Euro 5 i Euro 6 oraz powszechny nacisk na zmniejszenie emisji gazów

17 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 17 cieplarnianych w Unii Europejskiej kieruje prace badawczo-rozwojowe na rozwój konstrukcji nowych, niskoemisyjnych pojazdów, używanie paliw alternatywnych, rozwój konstrukcji nowych typów silników i zwiększanie sprawności jednostek napędowych obecnie produkowanych. a) HC [g/km] Euro 1 (1992) Euro 1 Euro CO 63% Euro 2 (1996) HC 8% Euro 3 (2) NO x 88% Euro 6 (215) Euro 4 (25) Euro 5 (212) NO x [g/km] Średnio 77% (NO x ~ 8-krotne) b) PM [g/km] Euro 2 (1996) Euro 1 (1992) Euro 1 Euro CO 82% Euro 3 (2) HC+NO x 82% PM 96% Euro 6 (215) Euro 4 (25) Euro 5 (212) HC+NO x [g/km] Średnio 87% (PM ~ 28-krotne) c) PM [g/kwh] Euro III (2) Euro II (1996) Euro I (199) Euro I Euro VI CO 66% HC 88% PM 98% Euro V (28) Euro VI (214) Euro IV (25) NO x [g/kwh] NO x 98% Średnio 88% (PM i NO x ~ 5-krotne) Rys Zmniejszenie emisji zanieczyszczeń w Unii Europejskiej w latach (okres zgodny z wprowadzeniem norm europejskich Euro 1 Euro 6 dla samochodów osobowych z silnikami ZI (a) i ZS (b) oraz Euro I Euro VI dla pojazdów ciężarowych (c) [5] Maksymalnie dopuszczalne wartości emisji związków szkodliwych spalin wprowadzone w normie Euro 5 (limity zaostrzone o 2 8%) są znacznie zmniejszone w stosunku do wymagań przepisów Euro 4. Niektóre z dopuszczalnych wartości emisji drogowej cząstek stałych zostały dalej obniżone po wprowadzeniu normy Euro 6. Przepisy Euro 6 są spełnione tylko przez samochody osobowe, których łączna emisja drogowa

18 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 18 węglowodorów, tlenku węgla, tlenków azotu oraz cząstek stałych określona jest poniżej 1 g/km, co stanowi wyzwanie zarówno dla konstrukcji silników wraz z układami katalitycznego oczyszczania spalin, jak i analitycznej aparatury pomiarowej. Niższe limity emisji, wyznaczone w obecnych i przyszłych normach, wymagają urządzeń o zwiększonej dokładności pomiaru, minimalizującej wpływ niepewności pomiaru na wynik. Według oceny Europejskiej Agencji Ochrony Środowiska (EEA) [83], przeciętna emisja dwutlenku węgla z silników nowych samochodów osobowych zarejestrowanych w Europie w 215 roku wyniosła 119,6 g/km, o 3% mniej niż w 214 roku (123,4 g/km). Raport EEA podkreśla, że wynik jest znacznie poniżej celu wyznaczonego przez Komisję Europejską na 215 rok, wynoszącego 13 g/km CO 2 (od roku 22 limit ten wynosił będzie 95 g/km CO 2 rys. 2.1). Coraz bardziej przyjazne dla środowiska są także pojazdy użytkowe. Przeciętna emisja dwutlenku węgla z silników nowych pojazdów dostawczych zarejestrowanych w Europie w 214 roku wyniosła 169,2 g/km, o 4 g/km mniej niż w 213 roku. Raport EEA podkreśla, że wynik jest blisko 6 g/km poniżej celu wyznaczonego przez Komisję Europejską na 217 rok, wynoszącego 175 g/km CO 2. Rys Zmniejszenie limitów emisji CO 2 na świecie do roku 22 [45] Powietrze w Polsce jest bardzo zanieczyszczone. Dane przytaczane przez Ministerstwo Energii wskazują, że np. w Krakowie średnioroczne stężenie benzo(a)pirenu wynosi 1,2 ng/m 3, gdy w Berlinie sięga,7 ng/m 3, w Wiedniu,6 ng/m 3, w Rzymie,4 ng/m 3, w Paryżu,3 ng/m 3, w Londynie,8 ng/m 3. Tymczasem Światowa Organizacja Zdrowia podaje, że stężenie powyżej 1 ng/m 3 jest niebezpieczne dla zdrowia. Resort dodaje, że nawet 6% zanieczyszczeń powietrza w miastach pochodzi z transportu [13]. W Polsce obowiązującym dokumentem prawnym określającym wartości graniczne stężeń substancji obecnych w powietrzu jest Rozporządzenie Ministra Środowiska z r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu [86]. W rozporządzeniu określono poziomy stężeń granicznych dla terenu całej Polski (tab. 2.1) z wyróżnieniem obszarów podlegających szczególnej ochronie, takich jak: parki narodowe, leśne kompleksy i promocyjne pomniki historii wpisane na listę światowego dziedzictwa. Rozporządzenie określa, m.in. poziomy dopuszczalne dla niektórych substancji w powietrzu, okresy, dla których uśrednia się wyniki pomiarów oraz dopuszczalną częstość przekraczania poziomów.

19 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 19 Tablica 2.1. Dopuszczalne wartości stężenia wybranych zanieczyszczeń powietrza obowiązujące na terenie Polski [86] Zanieczyszczenie Okres uśredniania Poziom dopuszczalny Jednostka pomiarowa Częstość przekraczania Benzo(a)piren * 12 miesięcy 1 ng/m 3 NO 2 1 godzina 2 µg/m 3 18 razy/rok 12 miesięcy 4* µg/m 3 NO x 12 miesięcy 3* µg/m 3 CO 8 godzin 1 * µg/m 3 1 godzina 35* µg/m 3 24 razy/rok SO 2 24 godziny 125* µg/m 3 3 razy/rok 12 miesięcy 2* µg/m 3 PM2,5 12 miesięcy 25* (2 od 22 r.) µg/m 3 PM1 24 godziny 5* µg/m 3 35 razy/rok 12 miesięcy 4* µg/m 3 O 3 8 godzin 12* µg/m 3 25 razy/rok * Poziom dopuszczalny ze względu na ochronę ludzi. Podstawą europejskiej polityki ochrony środowiska są programy działania. Oficjalnie nie są one wiążące dla państw członkowskich stanowią jedynie zalecenia kierunków rozwoju polityki ochrony środowiska. Są podstawą do dyskusji nad odpowiednimi aktami regulującymi ochronę środowiska w krajach Unii Europejskiej. Podstawowym aktem prawa europejskiego, określającym wymagania w zakresie ochrony powietrza w państwach członkowskich Unii Europejskiej jest dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 28/5/WE [24] w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy (CAFE Cleaner Air for Europe). W dyrektywie wprowadzono kontrolę, oprócz związków gazowych, dodatkowo cząstek stałych. Uzupełnieniem jest prawnie niewiążący cel dotyczący ograniczenia stężenia cząstek stałych PM2,5 w latach od 21 do 22 w każdym państwie członkowskim, na podstawie danych pomiarowych (tabl. 2.2). Tablica 2.2. Dopuszczalne wartości stężenia wybranych zanieczyszczeń powietrza ustalone w dyrektywie 28/5/WE [24] Zanieczyszczenie Stężenie dopuszczalne [ g/m 3 ] 1-godzinne 8-godzinne 24-godzinne średnioroczne CO 7/5 * SO 2 75/5 ** 2 NO 2 14/1 *** 32/26 PM1 35/25 **** 28/2 PM2,5 17/12 Ołów,35/,25 Benzen 3,5/2, * Górny/dolny przedział oszacowania. ** Nie może zostać przekroczona więcej niż 3 razy w roku kalendarzowym. *** Nie może zostać przekroczona więcej niż 18 razy w roku kalendarzowym. **** Nie może zostać przekroczona więcej niż 35 razy w roku kalendarzowym.

20 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 2 Pod koniec roku 213 Komisja zaproponowała nowy pakiet polityki dotyczący czystego powietrza z dwoma kluczowymi celami, tj. zachowaniem zgodności z obowiązującym prawodawstwem do 22 r. i ograniczeniem długoterminowego wpływu zanieczyszczenia powietrza [46]. Pakiet ten zawiera nowy program Czyste powietrze dla Europy, w którym opisano ten problem i środki polityczne niezbędne do osiągnięcia nowych celów śródokresowych, aby ograniczyć negatywny wpływ zanieczyszczeń na zdrowie i środowisko do 23 r. Proponuje się w nim przegląd dyrektywy w sprawie krajowych poziomów emisji i uaktualnienie krajowych pułapów na lata 22 i 23 dla czterech obecnie uwzględnionych zanieczyszczeń, a także dwóch dodatkowych, tj. drobnych cząstek stałych i metanu. W pakiecie uwzględniono również wniosek dotyczący nowej dyrektywy w sprawie ograniczenia emisji niektórych zanieczyszczeń do powietrza ze średnich obiektów energetycznego spalania (jako uzupełnienie już obowiązujących przepisów dotyczących dużych obiektów energetycznego spalania) oraz wniosek o ratyfikację zmienionego protokołu z Göteborga do konwencji Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ (EKG ONZ) w sprawie transgranicznego zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości, którego celem jest przeciwdziałanie zakwaszeniu, eutrofizacji i powstawaniu ozonu w warstwie przyziemnej. Dynamiczny rozwój transportu ostatnich dekad jest istotnym czynnikiem rozwoju gospodarczego świata i jednocześnie znaczącym źródłem uciążliwości i problemów istotnych szczególnie w skali lokalnej, zwłaszcza w dużych aglomeracjach miejskich. Niekorzystne skutki transportu odczuwa zarówno środowisko przyrodnicze, jak i społeczeństwo, któremu powszechny rozwój tego sektora umożliwił swego czasu przekroczenie istotnej bariery rozwoju cywilizacyjnego, przy czym efekty te różnią się w zależności od poziomu rozwoju gospodarczego, stopnia zaawansowania i wykorzystania różnych sektorów transportu, położenia geograficznego (w tym klimatu), a także wrażliwości elementów środowiska. Niezwykle istotnym zagadnieniem w obliczu współczesnych zagrożeń ze strony transportu jest zapobieganie ich występowaniu, a gdy nie jest to możliwe ograniczanie ich presji na środowisko oraz skali i zasięgu negatywnych skutków. Odpowiednie działania powinny być prowadzone na szczeblach administracji rządowej, samorządowej, jak również w sektorze prywatnym. Niezbędne jest wprowadzanie właściwych regulacji prawnych i administracyjnych, zapewnianie odpowiednich środków finansowych i potencjału ludzkiego dla rozwoju nowych technologii, planowanie przestrzenne, racjonalne projektowanie i utrzymywanie infrastruktury, a także edukowanie społeczeństwa i racjonalizacja zadań transportu. Wyznaczanie przez Unię Europejską rygorystycznych celów w tym zakresie skłania przemysł motoryzacyjny do produkcji pojazdów ekonomicznych oraz przyjaznych środowisku. Jednak ponad 25 milionów samochodów na europejskich drogach (dane z roku 215) stanowi znaczące źródło zanieczyszczenia powietrza, będące przyczyną śmierci około 38 tysięcy osób rocznie. Szacuje się, że samochody są odpowiedzialne za 12% emisji gazów cieplarnianych w Europie. Mimo że całkowita emisja gazów cieplarnianych w Unii Europejskiej stopniowo się zmniejsza, transport drogowy jest źródłem ponad 9% tej emisji. Tym problemem Unia Europejska zajmuje się na różne sposoby, m.in. jednym z priorytetów jest modernizacja systemów transportu publicznego i zachęcanie do rzadszego korzystania z samochodów prywatnych na rzecz komunikacji zbiorowej. Zagadnienie ochrony środowiska w transporcie poprzez stosowanie wzorców emisji spalin ma również swoje odzwierciedlenie w programach do oceny wpływu różnych środków transportu na środowisko naturalne. W programach tych wykorzystuje się wartości emisji zanieczyszczeń przyjęte wprost jako wartości dopuszczalne. Zagadnienie to będzie treścią kolejnego podrozdziału niniejszej pracy.

21 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego Zastosowanie modeli emisji zanieczyszczeń w ocenie stanu środowiska Podczas podejmowania decyzji o doborze metody służącej do określenia wpływu planowanych zmian w infrastrukturze drogowej rozważa się takie kwestie, jak dokładność wybranej metody, czas wykonywania analizy oraz jej koszt. Obecnie najbardziej popularna jest metoda wykorzystująca wskaźniki emisji zanieczyszczeń jako funkcję masy spalonego paliwa. Jest ona jedną z najbardziej popularnych metod wykorzystywanych podczas tworzenia raportów dotyczących oddziaływania środowiskowego inwestycji na środowisko (np. [37]). Spowodowane to jest najmniejszym kosztem uzyskania wyników, jednak metoda ta nie jest w obecnych warunkach wiarygodna. Podstawą do wykonywania analiz z wykorzystaniem tej metody jest pismo: MOŚZNiL nr Pzmot/63/8/93 z dnia r. [73], w którym przyjęto następujące wartości wskaźników emisji związków szkodliwych odniesione do kilograma spalonego paliwa, przedstawione w tablicy 2.3. Przyczyną niedokładności tej metody są przede wszystkim przestarzałe dane wejściowe, przyjmowane podczas modelowania. Tablica 2.3. Wskaźniki emisji dotyczące siedmiu głównych rodzajów zanieczyszczeń emitowanych z silników spalinowych, w gramach substancji na jeden kilogram paliwa zużytego przez poszczególne grupy pojazdów [1] Kategoria środków transportu W CO W NO2 W W. alif.. W W. arom. W pyłu W SO2 W Pb Samochody osobowe o ZI bez katalizatora Samochody osobowe o ZI z katalizatorem , ,5,6 2 Samochody osobowe o ZS ,5,6 3,7 6 Samochody osobowe i dostawcze dwusuwowe Samochody dostawcze < 3,5 Mg z ZI Samochody dostawcze < 3,5 Mg o ZS Samochody ciężarowe i autobusy > 3,5 Mg o ZI Samochody ciężarowe i autobusy 3,5 16 Mg o ZS Samochody ciężarowe i autobusy > 16 Mg o ZS , , ,8 3, , ,5 3,5 4, ,3 6 Motocykle i motorowery 556 2, ,15 < 5 cm 3 Motocykle i motorowery 73 2, ,15 > 5 cm 3 Motocykle i motorowery ,15 4-suwowe, > 5 cm 3 Samoloty z silnikami tłokowymi ,2 1,7 Samoloty odrzutowe i turbośmigłowe

22 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 22 Aby wykonać analizę środowiskową według tej metody, należy postępować w następującej kolejności: przyjąć prognozowaną strukturę i natężenie ruchu na analizowanym odcinku drogi, założyć udział poszczególnych typów silników w pojazdach różnych kategorii. Do zalet omawianej metody należy zaliczyć krótki czas i mały koszt uzyskania wyników. Jednak przy wyborze tej metody, należy liczyć się z dużą niedokładnością, gdyż przyjmowane parametry są przestarzałe (ustawa z roku 1993). Poza tym, obecnie nie uwzględnia się emisji SO 2 i Pb, ponieważ w przypadku pojazdów z silnikami ZI stosuje się benzyny bezołowiowe, a do zasilania silników ZS stosuje się oleje napędowe o niskiej zawartości siarki (mniej niż 1 ppm). Przestarzałe jest również nazewnictwo, gdyż obecnie nie używa się pojęcia emisja sadzy. Aktualnie stosowane pojęcie to emisja cząstek stałych, które oprócz części węglowej (sadzy) zawierają szkodliwe substancje pochodzące z niespalonego paliwa, oleju smarującego i inne. Przy stale zmieniających się warunkach pracy pojazdów (inne natężenie emisji spalin) oraz strukturze pojazdów (unowocześnianie parku samochodowego) bazowanie na wskaźnikach z 1993 roku powoduje znaczne zawyżenie obliczanej masy związków szkodliwych. Aby dokonać wiarygodnej oceny rozpatrywanych w pracy zagadnień, proponuje się ocenę oddziaływania środowiskowego na podstawie badań emisji spalin pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu. Metoda uważana za wiarygodną wykorzystuje pomiary przeprowadzone podczas przejazdów w rzeczywistym ruchu drogowym. Różnice w pomiarach emisji na danym odcinku drogi mogą wynikać jedynie z odmiennego stylu jazdy kierowcy, jednak aspekt ten nie jest problemem, przy odpowiedniej metodyce badań. Aby prawidłowo móc zinterpretować wyniki, pomiary wykonuje się podczas przejazdów za pojazdem poprzedzającym (za liderem). Następnie wykonuje się po kilka przejazdów w obie strony, przez co styl jazdy kierowcy nie ma dużego znaczenia podczas analizy wyników. Niewątpliwą wadą tej metody jest czas potrzebny do uzyskania wyników oraz koszt badań. Koszt jednak jest duży podczas tworzenia baz danych dotyczących emisji zanieczyszczeń z różnych kategorii pojazdów. Stworzenie takiej bazy umożliwia symulowanie przejazdów pojazdów na dowolnym odcinku drogi i wymaga jedynie znajomości udziałów czasowych prędkości i przyspieszenia uzyskiwanych dla przejazdu tego odcinka. W dalszej części niniejszego rozdziału przedstawiono próbę oszacowania emisji zanieczyszczeń generowanych przez system transportowy aglomeracji poznańskiej. Podstawą do modelowania emisji związków szkodliwych była bieżąca charakterystyka poszczególnych grup pojazdów (rok 215) oraz ich prognozowana zmiana na lata 22 i 23. Wyznaczenie średniej wartości emisji drogowej jako funkcji dziennej odległości pokonywanej przez różne kategorie pojazdów było podstawą do określenia zmian w rocznej emisji zanieczyszczeń. Wartości natężenia emisji spalin pojazdów osobowych przyjęto na podstawie przeprowadzonych badań w rzeczywistych warunkach ruchu, natomiast dla pozostałych kategorii przyjęto wyniki badań uzyskane w wyniku wcześniejszych prac zespołu Zakładu Silników Spalinowych Politechniki Poznańskiej. Przyjęto zwiększanie w poszczególnych latach udziału pojazdów spełniających najnowsze normy toksyczności spalin (opisane w poprzednim podrozdziale), a także charakter zmian długości trasy pokonywanej przez pojazdy. Wynikiem tych analiz była sumaryczna roczna emisja związków szkodliwych dla danej kategorii pojazdów na terenie aglomeracji poznańskiej (rys. 2.11). Analizę przeprowadzono na podstawie danych opublikowanych m.in. w publikacji [65].

23 Udział pojazdów [%] Udział pojazdów [%] Udział pojazdów [%] 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego Rodzaj pojazdów: 2 Osobowe Dostawcze 1 Ciężarowe Autobusy Euro Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 Motocykle Kategoria emisyjna pojazdów Rodzaj pojazdów: 3 Osobowe 2 1 Dostawcze Ciężarowe Autobusy Euro Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 Motocykle Kategoria emisyjna pojazdów Rodzaj pojazdów: 3 Osobowe 2 1 Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 Euro 7 Dostawcze Ciężarowe Autobusy Motocykle Kategoria emisyjna pojazdów Rys Zmiana struktury ekologicznej pojazdów w aglomeracji poznańskiej na przestrzeni lat (nazwę Euro 7 dla roku 23 przyjęto tylko na potrzeby pracy) Założono zmianę udziału w całkowitej grupie pojazdów kategorii emisyjnych pojazdów: stopniowe zmniejszenie udziału pojazdów spełniających wczesne normy emisyjne oraz zwiększenie udziału pojazdów spełniających najnowsze normy emisji spalin (w tym pojazdy hybrydowe). Przyjęcie charakterystyk średniej odległości dziennej pokonywanej przez poszczególne kategorie pojazdów (rys. 2.12) było podstawą do określenia zmian w dobowej emisji zanieczyszczeń. Oszacowano je na podstawie danych zamieszczonych w Zintegrowanej Polityce Transportowej Miasta Poznania [77] oraz w [92], a także w opisie do programu Copert 4 [12]. Wartości emisji drogowej zanieczyszczeń gazowych dla poszczególnych kategorii pojazdów można przyjąć według normy emisyjnej pojazdu (przy założeniu że pojazd emituje zanieczyszczenia odpowiadające wartości określonej w normie, którą musi

24 Udział [%] Udział [%] Udział [%] 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 24 spełniać) [2, 76, 82, 84, 85] lub na podstawie badań wykonanych w rzeczywistych warunkach ruchu dla danej aglomeracji (na podstawie wyników badań zespołu, w którym brałem udział, dostępnych w publikacjach [59, 6, 63, 66, 68, 7, 71]) Osobowe Dostawcze S [km] 22 Ciężarowe Autobusy Motocykle 4 3 Osobowe Dostawcze S [km] 23 Ciężarowe Autobusy Motocykle S [km] Osobowe Dostawcze Ciężarowe Autobusy Motocykle Rys Przyjęte charakterystyki dziennej odległości pokonywanej przez różne pojazdy Wartości natężenia emisji spalin z pojazdów osobowych wyznaczono na podstawie przeprowadzonych badań w rzeczywistych warunkach ruchu (przykładowe wyniki przedstawiono dla samochodów osobowych z silnikami ZS, spełniającymi normę emisji spalin Euro 4 oraz Euro 5). Na tej podstawie wyznaczono wskaźniki emisji (odnoszące się do poszczególnych zanieczyszczeń), które można obliczyć jako wartości: chwilową cechuje ją duża zmienność, gdyż jest obliczana w każdej sekundzie testu,

25 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 25 narastającą w trakcie wykonywania testu, obliczaną jako bieżąca emisja drogowa danego związku szkodliwego (od początku testu do chwili bieżącej) w stosunku do wartości normatywnej; odnoszącą się do całego testu badawczego jako stosunek emisji drogowej w teście drogowym wykonywanym w rzeczywistych warunkach ruchu do wartości normatywnej. Wskaźnik emisji pojazdu (danego związku szkodliwego) zdefiniowano jako: CFj E rzecz, j (2.1) E test, j gdzie: j związek szkodliwy, dla którego określono wskaźnik emisji, Erzecz,j natężenie emisji w warunkach rzeczywistych [g/s], Etest,j natężenie emisji zmierzone w teście NEDC [g/s] lub w innym teście badawczym, np. odnoszącym się do pojazdów ciężarowych (ETC, WHTC). Na wykresach z rysunku 2.13 przedstawiono dla każdego związku szkodliwego zakres zmian wskaźnika emisji dla którego spełniony jest limit normatywny (linia przerywana). Pomimo dużej chwilowej zmienności wskaźnika emisji, jego wartość określona w sposób narastający charakteryzuje się: b) 2, , , Euro25 4, , Euro 5, Diesel, CO CFCO [-] 1,5 3 1, Euro 25 5,5, 2, 15 -,5 15 -,5 1-1, 1-1, 5-1,5 5 CO [mg/s] -1,5-2, S [km] -2, S [km] 2, 3,2 2,8 1,5 2,8 1,5 2,4 1, 2,4 1, Euro 4 2,,5 Euro 5 2,,5 1,6, 1,6, 1,2 -,5 1,2 -,5,8-1,,4-1,5 3,2 2, Euro 5, Diesel, HC,8 CFHC [-] HC [mg/s] HC [mg/s] Euro 4, Diesel, HC -1,,4-1,5, -2, 2 4 6, -2, S [km] Euro S [km] 8 CFNOx [-] 2 Euro 5, Diesel, NOx Euro 5 NOx [mg/s] NOx [mg/s] Euro 4, Diesel, NOx 2 6 S [km] 4 CFHC [-] CFNOx [-] CO [mg/s] Euro 4, Diesel, CO CFCO [-] a) S [km] Rys Wartości natężenia emisji zanieczyszczeń oraz wskaźników emisji drogowej dla samochodów osobowych spełniających: a) normę emisji spalin Euro 4, b) normę emisji Euro 5

26 CF [-] 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 26 dla tlenku węgla bardzo gwałtowny wzrost podczas uruchomienia silnika i następnie zmniejszenie jego wartości; w warunkach rzeczywistej eksploatacji w krótkim okresie uzyskiwane jest zadowalające zmniejszenie emisji poniżej wymaganej normy zarówno dla pojazdu spełniającego normę Euro 4 i Euro 5; wartości wskaźnika są porównywalne dla badanych pojazdów, dla węglowodorów przebieg zmian wskaźnika jest podobny do wskaźnika jaki odnotowano przy tlenku węgla, jednakże pojazd spełniający normę Euro 4 wymagał krótszego dystansu (ok. 2 km) aby wartość wskaźnika była mniejsza od 1, dla pojazdu spełniającego normę Euro 5 dystans ten wynosił ok. 1 km, dla tlenków azotu brakiem spełniania wymagań normatywnych wynika to głównie z różnicy pracy silnika pojazdu w teście NEDC i w warunkach rzeczywistych; dla badanych pojazdów wartość wskaźnika emisyjności jest większa od jedności. Dla kategorii pojazdów niskoemisyjnych wskaźniki te w pierwszym okresie jazdy przyjmują wartości znacznie większe od jedności, jednak następnie maleją do wartości kilkunastu procent wartości emisyjnej określonej w normie emisji spalin (zależność ta występuje dla emisji tlenku węgla i węglowodorów). Odmiennie od przedstawionego schematu przebiega wskaźnik emisji tlenków azotu: zmniejsza się od wartości kilkunastu, jednakże nie osiąga wartości określonej w normie emisji spalin. Z tego względu w rzeczywistych warunkach ruchu emisja tlenków azotu jest kilkukrotnie większa niż dopuszczalny limit zależność ta została potwierdzona w badaniach pojazdów ciężarowych i autobusów miejskich. Dla pozostałych rodzajów pojazdów o różnych kategoriach emisyjnych określono krzywe wskaźników emisji spalin CF = f(s) jako zależne od długości pokonywanej odległości przez pojazdy (rys. 2.14, tabl. 2.4). 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, S [km] Rys Krzywe wskaźników emisji zanieczyszczeń A B C D E F G H J K L M N O Na podstawie przygotowanych danych określono dobową emisję zanieczyszczeń z pojazdów na terenie aglomeracji poznańskiej przyjmując, że emisja z pojazdów jest zależna od długości pokonywanej trasy i zmienia się zgodnie z krzywą zmian wskaźnika emisji (I przypadek) lub, że emisja z pojazdów osiąga wartość określoną w normie emisji spalin i jest niezależna od długości drogi pokonywanej przez pojazd (II przypa-

27 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 27 Tablica 2.4. Przebiegi krzywych wskaźnika emisji (z rys. 2.14) dla poszczególnych rodzajów pojazdów i odpowiadające im kategorie emisyjne Rodzaj pojazdu Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle Rodzaj silnika ZI ZS ZI ZS ZS ZS ZI Związek Krzywa współczynnika emisji E E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 CO A B H J O O O O HC A B H J O O O O NO x A D G J M N N N CO A D H J L M O O HC A D H J N M O O NO x A F G E J C B D CO B C E G M N O O HC B C E E M N O O NO x E G G J K K L L CO F H J K L N O O HC F H J K L N O O NO x J H G E D C B D CO A C J K L N O O HC B C J K L N O O NO x F E E E D B B D CO A B D K L M O O HC B B D K L M O O NO x F E C E D B B D CO A A H J O O O O HC A A H J O O O O NO x E G G J N N N N E E7 skrótowy zapis norm emisji spalin (Euro Euro 7 lub Euro Euro VII). dek). Wartości te obliczono kolejno dla każdej grupy pojazdów, z podziałem na rodzaj napędu i rodzaj zanieczyszczenia (rys. 2.15). Porównanie dokonane dla aglomeracji poznańskiej odniesiono do okresu ; z jego analizy wynika ogólny malejący poziom emisji zanieczyszczeń, jednakże zwraca uwagę na dość znaczną emisję zanieczyszczeń z pojazdów ciężarowych (jest to wynik uwzględnienia w analizie odcinka autostrady A2 w obrębie Poznania). Modelując emisję zanieczyszczeń zwrócono uwagę na kategorię pojazdów najbardziej szkodliwych dla środowiska naturalnego. Wyniki analizy uwidaczniają największy udział emisji zanieczyszczeń z pojazdów najstarszych, pomimo, że tych pojazdów np. w roku 212 było tylko 16%, a w roku 22 przewidywany jest ich udział o wartości nie większej niż 4%. Zwiększający się udział pojazdów o możliwie nowszych kategoriach emisyjnych nie powoduje znacznego zwiększenia globalnej emisji zanieczyszczeń pojazdy najstarsze (o niekontrolowanej emisji spalin) mają największy udział w emisji zanieczyszczeń. Sytuacja ta zmieni się dopiero po roku 23, w którym przyjęto, że pojazdy najstarsze będą stanowiły bardzo mały odsetek. Uwagę zwraca również sposób obliczania emisji zanieczyszczeń: dla lat 212 i 22 wartości emisji zanieczyszczeń uzyskiwane są większe (najbardziej widoczne dla pojazdów najstarszych), gdy przyjmuje się spełnienie normy emisji zależne od przebytego dystansu. Oznacza to że pojazdy o niskiej kategorii emisyjnej emitują znacznie więcej zanieczyszczeń niż wynika to z normy emisyjnej spełnianej przez pojazd (rys. 2.16).

28 Emisja zanieczyszczeń [tony/dobę] Emisja zanieczyszczeń [tony/dobę] Emisja zanieczyszczeń [tony/dobę] 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego Spełnienie normy emisji zależnie od przebytej drogi; CF = f(s) Spełnienie normy emisji niezależnie od przebytej drogi; CF = CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx ZI ZS ZI ZS ZS ZS ZI Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx ZI ZS ZI ZS ZS ZS ZI Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx ZI ZS ZI ZS ZS ZS ZI Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle Rys Wartości emisji zanieczyszczeń dla struktury pojazdów w latach dla dwóch sposobów określania emisji z pojedynczego pojazdu

29 Emisja zanieczyszczeń [t/doba] Emisja zanieczyszczeń [tony/dobę] Emisja zanieczyszczeń [tony/dobę] Emisja zanieczyszczeń [tony/dobę] 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego Spełnienie normy emisji zależnie od przebytej drogi; CF = f(s) Spełnienie normy emisji niezależnie od przebytej drogi; CF = E E1 E2 E3 E4 E5 E6 E E E1 E2 E3 E4 E5 E6 E E E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 Kategoria emisjyjna pojazdu Rys Emisja zanieczyszczeń dla aglomeracji poznańskiej uwzględniająca podział pojazdów na kategorie emisyjne Wyznaczając emisję zanieczyszczeń dla kolejnych lat uzyskuje się wartość, którą można porównać z wartościami emisji przyjmowanymi dla pojedynczych pojazdów. Jeżeli do modelowania przyjmuje się wartości emisji równe wartościom normowanym to dla roku 215 uzyskuje się wartości zaniżone o około 6%; dla roku 22 będą to wartości zaniżone o około 4%, a dla roku 23 uzyska się wartości zawyżone o około 4%. W związku z tym należy dążyć do precyzyjnego wyznaczania wielkości wejściowych do modelowania emisji zanieczyszczeń, które można uzyskiwać dzięki badaniom pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu (rys. 2.17) Spełnienie normy emisji zależnie od przebytej drogi; CF = f(s) Spełnienie normy emisji niezależnie od przebytej drogi; CF = Rys Porównanie wartości emisji zanieczyszczeń dla przyjętych lat modelowania w zależności od sposobu wyznaczania emisji pojedynczego pojazdu

30 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego 3 Różnorodne podejście do szacowania emisji pojedynczych pojazdów i wprowadzanie tej wielkości do modeli emisji globalnej ma swoje odzwierciedlenie w wynikach prezentujących udziały emisji zanieczyszczeń w poszczególnych latach z różnych rodzajów pojazdów. Analizując emisję tlenku węgla, w której największy udział (ok. 55%) w roku 215 miały pojazdy osobowe w odniesieniu do wszystkich pojazdów, a w kolejnych analizowanych latach udział ten zmniejsza się, odpowiednio do 38% w roku 22 i 24% w roku 23 (rys. 2.18). Największy udział w emisji węglowodorów w roku 215 miały również samochody osobowe, i podobnie do udziału emisji tlenku węgla stopniowo w kolejnych latach będzie on się zmniejszał. Niepokojącym jednak zjawiskiem będzie zwiększanie się udziału emisji tlenku węgla i węglowodorów z pojazdów ciężarowych; w kolejnych latach 215, 22 i 23, odpowiednio do 26%, 32% i 44%. Wartości te nie świadczą jednak o zwiększaniu się wartości emisji tych zanieczyszczeń a jedynie o zmianie struktury pojazdów z których odnotowana będzie ta emisja. 215,2%,6% CO 22,5% 55,5% 21,2% 25,6% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle 23,%,3% 1,1% HC 49,9% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle 67,8% 1,3%,% 2,% NOx 1,9% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle 22,2% 1,2% CO 3,6% 37,9% 3,1% 31,6%,2% 2,% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle 31,5% 34,7% HC Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe 75.9% 1.1%,% 12.2% NOx 1,8% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle 23 1,5%,5% CO 24,3% 44,3% 29,3% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe 43,3%,9%,6% 28,% 27,3% HC Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe 75,1% 1,7%,% 8,9% NOx 14,3% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle Rys Udział różnych kategorii pojazdów w całkowitej emisji danego związku szkodliwego, przy założeniu, zależności emisji spalin od długości pokonywanej drogi (CF = f(s)) Wartości pokazane na rysunku 2.18 będą inne, gdy za podstawę wyznaczania emisji z pojedynczego pojazdu przyjmie się wartość odpowiadającą normatywowi limitu dla danego związku szkodliwego (rys. 2.19). Jeżeli wskaźniki emisji przyjmowałyby stałe wartości niezależne od przebytej drogi przez pojazd to udziały emisji z rys i rys byłyby jednakowe. Jednakże przyjęcie zmiennych wskaźników emisji które w sposób bardziej dokładny odpowiadają rzeczywistym wartościom zanieczyszczeń emitowanych przez pojazdy zwiększa wiarygodność modelowania zanieczyszczeń.

31 2. Wpływ motoryzacji na zanieczyszczenie środowiska naturalnego ,6%,5% CO 34,9% 33,2% 3,9% 36,3% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe,6%,8% 27,4% 34,9% HC Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe 71,3% 1,2%,% 14,4% NOx 13,1% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle 22,8%,5% CO 28,4% 4,7% 29,6% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe 43,2%,8%,9% 25,2% 29,9% HC Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe 75,3% 1,2%,% 1,2% NOx 13,2% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle 23 1,9%,5% CO 24,5% 46,8% 26,3% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe 4,1% 1,1%,6% 27,5% 3,7% HC Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe 67,6% 1,6%,2% 13,5% NOx 17,2% Samochody osobowe Samochody dostawcze Samochody ciężarowe Autobusy Motocykle Rys Udział różnych kategorii pojazdów w całkowitej emisji danego związku szkodliwego, przy założeniu niezależności emisji spalin od długości pokonywanej drogi (CF = 1) Należy zauważyć, że niezależnie od sposobu przyjmowania wartości emisji dla pojedynczych pojazdów, największy udział w emisji tlenków azotu mają pojazdy ciężarowe i to prawie niezależnie od roku dla którego tą wartość oszacowano. W powyższej analizie przedstawiono wyniki modelowania emisji zanieczyszczeń z transportu drogowego w aglomeracji poznańskiej. Wartości emisji zanieczyszczeń oszacowano, przyjmując, że najbardziej wiarygodnymi parametrami wejściowymi są wartości emisji spalin pojedynczych pojazdów wyznaczone w rzeczywistych warunkach ruchu. Dysponując mobilnymi analizatorami wyznaczono wartości emisji zanieczyszczeń, następnie porównano je z wartościami normatywnymi i na tej podstawie wyznaczono wartości wskaźników emisji, uzależniając je od drogi, którą pokonuje pojazd (CF = f(s)). Wykazano, że takie postępowanie w sposób bardziej wiarygodny opisuje globalną emisję niż przyjmowanie wartości wejściowych do modelu odpowiadających limitom emisji spalin (wartość wejściowa emisji zanieczyszczeń z pojazdu do modelu jest równa co do wartości limitowi emisji spalin określonemu dla danej kategorii emisyjnej pojazdu, CF = 1). W związku z tym, w dalszej części pracy przyjęto, że do wyznaczania emisji z pojazdów zastosowana będzie metoda polegająca na pomiarze emisji w rzeczywistych warunkach ruchu.

32 3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres Różnorodność kryteriów, które powinny być podstawą racjonalnych projektów i decyzji o budowie obwodnic (które można znaleźć w dość ubogiej literaturze), jest podstawą różnych, nierzadko przeciwstawnych opinii nt. skutków budowy obwodnic, wynikających z różnych efektów, zależnych od takich czynników jak: wielkość miasta, odległość obwodnicy od centrum miasta, długość i otoczenie dotychczasowego przejścia drogowego przez miasto, jego rozwój społeczno-ekonomiczny i wartość terenów, natężenie ruchu tranzytowego, stan planów zagospodarowania i innych. W niezbyt bogatej literaturze dotyczącej obwodnic reprezentowane są następujące zagadnienia: wpływ obwodnicy na rozwój ekonomiczny miasta lub jego części (publikacje m.in. [9, 14, 25, 26, 36, 42]), lokalizację businessu, lokalizacja obwodnicy w stosunku do centrum miasta (publikacje m.in. [17]), wpływ obwodnicy na liczbę wypadków, w szczególności z udziałem pieszych (publikacje z różnych krajów m.in. [2, 26, 41, 47]). W literaturze zagranicznej stosunkowo duża liczba pozycji dotyczy wpływu budowy obwodnic na rozwój miast i miejscowości. Niektórzy badacze swoje badania (z lat ) konkludują tym, że obwodnice mają pozytywny wpływ na tereny mieszkaniowe, podczas gdy inni (np. [78]) określają te efekty, jako negatywne, a nawet destrukcyjne (pozycje z lat np. [42]). Większość pozycji literatury dotyczy jednak sytuacji, gdzie obwodnica powodowała rozwój ekonomiczny w nowej przemysłowej części miasta, przy równoczesnej poprawie bezpieczeństwa ruchu w uwolnionych od ruchu tranzytowego obszarach mieszkaniowych. Efekty ekonomiczne są mierzone głównie liczbą miejsc pracy i firm oraz poziomem wynagrodzeń. Oddziaływania środowiskowe, zużycie energii, problemy społeczne, pomimo znaczenia przypisywanego tym czynnikom, są w literaturze reprezentowane przez elementy nielicznych publikacji (m.in. [29]). Zagadnieniom tym poświęca się dużo miejsca w literaturze dotyczącej ocen oddziaływania na środowisko inwestycji liniowych, jakimi są drogi. Są to publikacje i referaty o wybitnie praktycznym charakterze. Wpływ budowy obwodnic na bezpieczeństwo ruchu analizowany jest zwykle w aspekcie zmniejszenia jego zagrożenia w miejscowościach, z których eliminowany jest ruch tranzytowy (m.in. [91, 11]). Prostymi metodami wskaźnikowymi szacowane jest także zagrożenie bezpieczeństwa ruchu na nowych odcinkach dróg stanowiących obwodnice miejscowości. Wskazuje się na pozytywny efekt obwodnic w zakresie poprawy bezpieczeństwa ruchu. Jednakże duży wpływ na zmiany bezpieczeństwa ruchu wywierają zastosowane rozwiązania drogowe, zarówno na obwodnicy, jak i na przejściach drogowych przez miejscowości. Bardziej precyzyjne prognozowanie tych zmian wymaga dokładniejszych modeli predykcji, w których uwzględniona byłaby specyfika obwodnic drogowych oraz zmiany ukształtowania przejść drogowych. Brak jest tego typu mikro modeli. Poznanie wpływu specyficznych charakterystyk obwodnic i ruchu na tych obwodnicach na jego bezpieczeństwo umożliwi wybór najlepszych rozwiązań minimalizujących łączny wpływ na wypadki na obwodnicach i przebudowanych przejściach drogowych przez miejscowości. W zakresie metodologii badań w literaturze są licznie reprezentowane klasyczne analizy regresji oraz metody badań przed i po. Nowym na tym tle będą opracowane w ramach pracy mikro modele emisji składników szkodliwych spalin uwzględniające nową kategorię zmiennych objaśniających nawiązujących do specyfiki obwodnic drogowych. Pozwolą one zastąpić proste, obarczone dużymi błędami, oceny wskaźnikowe.

33 3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 33 Obecnie zauważalna jest wyraźna tendencja do globalnego traktowania zagrożeń środowiska ze strony motoryzacji. Przepisy zezwalające na dopuszczenie pojazdów do użytkowania (badania homologacyjne i zgodności produkcji), okresowe badania kontroli stanu technicznego oraz pozostałe akty prawne, związane bezpośrednio i pośrednio z produkcją, użytkowaniem i zagospodarowaniem zużytych wytworów cywilizacji, traktują zagadnienia ochrony środowiska w sposób kompleksowy. Na przestrzeni minionych lat, w poszczególnych państwach istniały różne systemy badań i kontroli emisji spalin z silników samochodowych, jednak od pewnego czasu następuje w tym zakresie daleko posunięta unifikacja. Zwiększająca się liczba pojazdów na świecie oraz zanieczyszczenie środowiska naturalnego powoduje wzrost wymagań w zakresie emisji szkodliwych składników spalin. Obecny stopień zaawansowania techniki i technologii we wszystkich dziedzinach przemysłu, w tym również we wszelkich rodzajach transportu, powoduje zwiększenie wymagań w zakresie produkcji urządzeń do pomiarów emisji spalin. Aby były one spełnione w stopniu koniecznym do zmieniających się okresowo przepisów, konieczna stała się koncentracja przemysłu w tej dziedzinie. Badania emisji toksycznych składników spalin są procesem skomplikowanym. Obecne analizatory do pomiaru emisji zanieczyszczeń wymagają szczególnych warunków laboratoryjnych, a procedury homologacyjne obejmują testy na hamowniach silnikowych i podwoziowych, które jednak nie odzwierciedlają emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Najnowsze wyniki badań prowadzonych w warunkach rzeczywistych ukazują, że w przypadku niektórych składników toksycznych spalin emisja ta jest większa o kilkaset procent. W związku z powyższym dostrzegalny jest trend usankcjonowania pomiaru emisji w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdów. Zapotrzebowanie na transport jest ściśle powiązane z rozwojem ekonomicznym. Realizacja tych potrzeb, w tym gwałtownie wzrastająca rola transportu drogowego, niesie ze sobą również niepożądane efekty uboczne. Bardzo duże natężenie ruchu pojazdów samochodowych czyni miasta mniej przyjaznymi dla człowieka i niekorzystnie wpływa na sprawność systemu transportowego, m.in. z powodu wydłużenia czasu podróży oraz zwiększenie zużycia paliwa. Ponadto ujawnia się jeden z ważniejszych szkodliwych efektów transportu drogowego, tj. jego znaczący udział w zanieczyszczeniu atmosfery. Wytwarzanie zanieczyszczeń określane przez współczynniki emisji zostały dla niektórych rodzajów i środków transportu szczegółowo zbadane i są dobrze znane, ale występują także obszary transportu, w odniesieniu do których dotychczasowe badania nie są wystarczające na tyle, by być reprezentatywnymi z uwagi na oceny skutków funkcjonowania transportu. Rozwój metod badawczych powoduje, że obecnie jest możliwe dokładne określenie, metodami o solidnych podstawach naukowych, współczynników emisji w odniesieniu do części zanieczyszczeń i części kategorii pojazdów, a dla innych możliwe będzie tylko określenie rzędu wielkości współczynników emisji. Metody, wykorzystywane do obliczania zużycia energii i emisji zależą od rodzaju zanieczyszczenia, rodzaju transportu i typu pojazdu. Metody te mogą być zgrupowane w czterech klasach, w zależności od prowadzonych badań: Obliczenia bazujące na aktywności transportu jest to podstawowa metoda dla najbardziej powszechnej emisji pochodzącej od pojazdów kołowych oraz zużycia energii przez inne niż drogowe środki transportu. Wartość obliczona w ten sposób może nie uwzględniać emisji gorącej, emisji startowej, gdy silnik nie jest jeszcze rozgrzany, oraz emisji parowania; takie podejście realizowano w pracach m.in. [34, 38 4, 44, 89]; Obliczenia bazujące na zużyciu energii jest to standardowa metoda wyznaczania emisji zanieczyszczeń innych niż z pojazdów kołowych. Typy emisji obliczanych w tej metodzie zależą od uwzględnionej w oszacowaniu zużyciu energii;

34 Q [dm 3 /1 km] 3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 34 Obliczenia z wykorzystaniem zasady równowagi węgla obliczenia zużycia paliwa lub emisji dwutlenku węgla mogą opierać się na równaniu, które reprezentuje równowagę masy węgla w paliwie i produktów jego spalania. Dla pojazdów kołowych z silnikami spalinowymi metoda ta jest stosowana do obliczenia zużycia paliwa, podczas gdy dla innych rodzajów środków transportu jest ona wykorzystywana do obliczenia emisji dwutlenku węgla. Alternatywnie metoda ta może być zastosowana do obliczenia emisji dwutlenku węgla z danych o zużyciu paliwa pojazdów kołowych z silnikami spalinowymi; Obliczenia dotyczące określonych zanieczyszczeń analiza emisji przyjętych składników spalin; oszacowanie może być wykonane na podstawie danych o głównych zanieczyszczeniach lub z wykorzystaniem badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego; takie podejście zaprezentowano np. w publikacjach z udziałem Autora tej pracy [3, 28, 55, 57, 67, 69]. Oszacowanie emisji pochodzącej od transportu drogowego w skali krajowej, oraz w ujęciu lokalnym, były prowadzone w niektórych krajach europejskich, jako część studiów nad wpływem zanieczyszczeń, już od lat 7. XX w. Wykorzystywane metody zostały od tego czasu udoskonalone i rozwinięte, zależnie od liczby, typu i jakości dostępnych danych. Obecnie używa się trzech podstawowych metod, które różnią się sposobem uwzględnienia zależności pomiędzy pracą pojazdu, a odpowiadającej jej emisji. Najdłużej stosowana z tych metod wykorzystuje fakt, że średnia emisja zanieczyszczeń zmienia się w zależności od prędkości jazdy pojazdu. Charakterystyczne kształty krzywych natężenia emisji są znane i chociaż różnią się one, w zależności od typu pojazdu i rodzaju zanieczyszczenia, to można przyjąć, że znaczna emisja zanieczyszczeń występuje przy małej prędkości jazdy, gdy praca pojazdu jest nieefektywna z powodu częstych postojów, przyspieszeń i opóźnień. Charakter wzrostu zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń przy dużej prędkości jazdy można wytłumaczyć wzrostem mocy silnika oraz oporów jazdy. Najmniejsze zużycie paliwa (rys. 3.1) i najmniejsza emisja zanieczyszczeń (rys. 3.2) występuje dla średnich prędkości jazdy tzn. typowych dla ruchu miejskiego i pozamiejskiego V [km/h] Rys Zmiana zużycia paliwa w zależności od prędkości jazdy pojazdu osobowego

35 CO 2 [g/km] CO, HC [g/km] 3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres CO2 HC CO 5, 4,5 4, 3, , 2,5 2, 1,5 1,,5, V [km/h] Rys Zmiana wartości emisji drogowej wybranych składników spalin w zależności od prędkości jazdy pojazdu osobowego Krzywe emisji zanieczyszczeń wyznaczane są na podstawie danych z badań na stanowisku hamownianym, gdzie testowy pojazd pracuje w określonym teście badawczym, podczas którego jest mierzona i analizowana jego emisja. Zależność emisji drogowej od średniej prędkości jest wyznaczana przez połączenie wyników testów wykorzystujących cykle o różnej prędkości średniej. Wiarygodność wyznaczonego związku może zależeć od testów, w których pojazdy są badane, a testy te są reprezentatywne dla warunków ruchu, które niekoniecznie występują podczas jazdy pojazdem w warunkach rzeczywistych. Problematyka rozprawy wpisuje się w ocenę różnic w zakresie zużycia energii (zużycia paliwa) i emisji spalin pojazdów poruszających się po obwodnicach i przejściach drogowych przez miejscowości. W tym celu niezbędna była kategoryzacja eksploatowanych pojazdów w aspekcie oceny stopnia emisyjności i uciążliwości dla środowiska i otoczenia. Analiza emisyjności była przeprowadzona w odniesieniu do emisji drogowej i uwzględnia warunki ruchu na obwodnicy i na przejściu przez miejscowość. Wartości te można odnieść do typowych warunków ruchu podczas przejazdu trasami poza wyznaczoną do badań obwodnicą. W rezultacie uzyskana będzie odpowiedź na pytanie w jakim stopniu budowa obwodnic wpływa na ograniczenie poziomu emisji i zużycia paliwa pojazdów (osobowych). Obecnie nie ma powszechnej wiedzy dotyczącej tematyki niniejszej rozprawy, a pomiary emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji, w tym również w strefach w pobliżu obwodnic i przejść drogowych prowadzi się intensywne w Europie i w Stanach Zjednoczonych (działania takie mają na celu dopiero stworzenie podstaw prawnych do badań w warunkach rzeczywistej eksploatacji). Unikatową wiedzę będzie stanowić określenie rzeczywistego poziomu emisji szkodliwych składników spalin i zużycia paliwa z uwzględnieniem charakterystyk ruchu w podziale na strefy w pobliżu obwodnic i przejść drogowych. Znajomość wielkości emisji spalin i zużycia paliwa z pojazdów samochodowych w warunkach rzeczywistych pozwoli na wskazanie priorytetowych rozwiązań w zakresie infrastruktury drogowej różnicujących ich przydatność w aspekcie poziomu zużycia energii i emisji zanieczyszczeń. Zaplanowano dokonanie możliwie pełnego poznania problematyki związanej z emisją związków szkodliwych z różnych rodzajów pojazdów w warunkach ich rzeczy-

36 3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 36 wistej pracy w zależności od różnorodnych typów infrastruktury drogowej. Nacisk położony będzie głównie na opracowanie metodyki i wykonanie badań w warunkach eksploatacji dla pojazdów (samochody osobowe) z różnymi silnikami (ZI i ZS, hybrydowe), zasilane różnymi paliwami (benzyna, olej napędowy). Opracowana metodyka badań pozwoli na określenie metod pomiarowych, mogących mieć zastosowanie do jakościowej oceny ekologiczności różnych rodzajów pojazdów. W związku z tym celem pracy będzie ilościowa ocena emisji związków toksycznych z pojazdów samochodowych (do realizacji pracy wykorzystano głównie samochody osobowe) w różnych uwarunkowaniach infrastruktury drogowej. Zagadnienie dotyczy zarówno skali makro infrastruktury drogowej w postaci nowobudowanych obwodnic miast, ale jednocześnie uwzględnia skalę mikro, czyli elementy infrastruktury drogowej m.in. skrzyżowania. W ramach pracy dokonano analizy problematyki badawczej oraz dostępnych metod oceny infrastruktury drogowej pod względem emisyjnym. Zakres prac badawczych dotyczył: w pierwszym etapie wykonano ocenę emisyjną przejazdu przez miejscowość oraz obwodnicą miejską dla jednego obiektu badawczego; dokonano porównania przejazdów pod względem ekologicznym (emisyjnym) i ekonomicznym (zużycia paliwa); w drugim etapie przeprowadzono symulację przejazdu pojazdem przez miejscowość oraz jej obwodnicą, w wyniku czego dokonano weryfikacji wskaźników emisyjnych zaimplementowanych w programie ze wskaźnikami uzyskanymi z badań drogowych; w etapie trzecim porównano emisję zanieczyszczeń podczas przejazdu przez miasto rzeczywistego potoku pojazdów w przypadku już istniejącej nowej infrastruktury drogowej obwodnicy miejskiej. Realizacja postawionego celu pracy dotyczyć będzie weryfikacji zmian emisji związków szkodliwych spalin na postawie rozkładu ruchu, a jednocześnie wskaźnika najbardziej racjonalnego w postaci emisji drogowej dwutlenku węgla (przebiegowego zużycia paliwa) pojazdów w aspekcie budowy nowej infrastruktury w lokalnej sieci drogowej.

37 4. Metodyka badań 4.1. Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń Wyznaczenie emisji składników spalin z dowolnego pojazdu lub silnika możliwe jest kilkoma sposobami: a) na podstawie badań hamownianych (na hamowni silnikowej lub podwoziowej) określa się natężenie emisji składników szkodliwych oraz uwzględniając znajomość wartości mocy (lub drogi) wyznacza się emisję jednostkową lub emisję drogową danego składnika szkodliwego spalin, c) na podstawie badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego określa się stężenie składników gazowych oraz masę i liczbę cząstek stałych, a przy uwzględnieniu wydatku spalin i przebytego dystansu emisję drogową tych składników. Wartości emisji zanieczyszczeń z pojazdów określone na podstawie przedstawionych metod nie mogą być ze sobą porównywane. Sposób i warunki przeprowadzania badań są odmienne, co powoduje uzyskiwanie porównywalnych wyników. W pracy przyjęto, że badania emisji spalin i zużycia paliwa będą prowadzone z wykorzystaniem mobilnego systemu do pomiaru emisji zanieczyszczeń PEMS (Portable Emission Measurement System). System taki umożliwia pomiar wszystkich parametrów pracy silnika i pojazdu [12]. Dopuszcza się jednak wykorzystanie, do określenia wartości obciążenia (momentu obrotowego) i prędkości obrotowej silnika, prędkości jazdy pojazdu, natężenia przepływu paliwa i temperatury czynnika chłodzącego, danych ze sterownika pojazdu. Przepisy wymagają, by były one dostarczane przez jednostkę sterującą pojazdu oraz odczytywane i rejestrowane przez systemy typu PEMS. Należy dodać, że wyniki badań emisji zanieczyszczeń pozyskiwane podczas badań drogowych są wartościami rzeczywistymi dla danego typu pojazdów i dotyczą konkretnych warunków drogowych. Warunki takie pozwalają oszacować stopień ekologiczności badanych pojazdów (np. przez określenie wskaźnika emisji CF) i ich silników podczas typowej eksploatacji [56, 58, 61, 62, 64]. Pomiarów natężenia emisji zanieczyszczeń dokonano według poniżej przedstawionego algorytmu, z zastrzeżeniem jego modyfikacji, która polegała na wprowadzeniu elementów, pozwalających na wykorzystanie w badaniach dwuwymiarowych charakterystyk we współrzędnych odnoszących się do silnika lub do pojazdu (odpowiednio były to współrzędne: obciążenie silnika prędkość obrotowa silnika oraz przyspieszenie pojazdu prędkość pojazdu). Masowe natężenie przepływu spalin wilgotnych G s oblicza się w g/s według wzoru: G s G G (4.1) gdzie: G p masowe natężenie przepływu powietrza wilgotnego [g/s], G e masowe natężenie zużycia paliwa [g/s]. Natężenie emisji poszczególnych zanieczyszczeń gazowych oblicza się (w g/s) na podstawie zależności: E p e E,966 c G (4.2) NO x CO E NO CO s s,1587 c G K (4.3) HC x HC s H,479 c G (4.4)

38 4. Metodyka badań 38 gdzie: c CO, c NOx, c HC stężenie tlenku węgla, tlenków azotu i węglowodorów w spalinach [ppm], K H współczynnik korekcyjny wilgotności NO x, współczynnik korekcyjny stężenia CO i NO x w spalinach suchych. Współczynnik K H oblicza się według wzoru: gdzie: K H 1 1 A H (4.5) 1,71 B T 298 G A,39 e,266 (4.6) G p G B,29 e,954 (4.7) G p T ZS temperatura zasysanego powietrza [K], H wilgotność powietrza zasysanego w gramach wody na 1 kg suchego powietrza (zawartość wilgoci) [g/kg]. Wilgotność bezwzględną powietrza obliczyć można z następującej zależności: zs 6,22 p H (4.8) 2 pa p 1 gdzie: wilgotność względna powietrza dolotowego [%], p a ciśnienie atmosferyczne [Pa], p ciśnienie nasycenia pary wodnej w powietrzu dolotowym [Pa], x zawartość wilgoci [ Współczynnik oblicza się według wzoru: G e 1 1,865 (4.9) G p Emisję drogową zanieczyszczeń b wyrażoną w gramach na kilometr oblicza się z zależności: b CO,HC,NO,CO x 2 E(CO,HC,NOx,CO2 ) i i (4.1) S gdzie: S przebyta droga [km]. Dwuwymiarowa charakterystyka udziału czasu pracy posłużyła do określenia natężenia emisji zanieczyszczeń w poszczególnych zakresach pracy pojazdu. Charakterystyka ta zastępuje cały cykl drogowy punktami pomiarowymi na charakterystyce pracy pojazdu i umożliwia wyznaczenie natężenia emisji związków szkodliwych. Wprawdzie charakterystyka ta nie uwzględnia właściwości dynamicznych silnika, zdefiniowanych zależnością: sterowanie moment obrotowy, to publikowane wyniki optymalizacji z użyciem takiej dwuwymiarowej charakterystyki wskazują, że uproszczenie takie jest dopuszczalne [35, 9, 1].

39 4. Metodyka badań 39 Wyniki badań zanieczyszczeń jako zależność prędkości pojazdu od czasu, uwzględniające przełożenia skrzyni biegów, traktowane są w tym zagadnieniu jako model eksploatacji pojazdu. W pierwszym etapie wyznacza się dwa synchroniczne przebiegi: V V(t) i a a(t) dla t (, t ) (4.11) gdzie: t t czas trwania testu lub pomiarów. Pole pracy pojazdu w układzie V a dzieli się na prostokątne elementy o wymiarach (rys. 4.1): t Vmax Vmin ΔV (4.12) N a max a min Δa (4.13) M Dla elementu o numerach (i, j) dwuwymiarowa charakterystyka udziału czasu pracy pojazdu (u) zdefiniowana jest następująco: t (i,j) u (i,j) (4.14) t gdzie t (i,j) czas pracy pojazdu, w którym parametry (V, a) należą do pola ΔL s oznaczonego numerami i, j (rys. 4.1). t a max a i N M. a L s. 3 j 2 1 V a min V min V V max Spełnione muszą być przy tym związki: Rys Podział pola pracy pojazdu na elementy N i 1 M t j 1 ( i,j) t t (4.15) N i 1 M j 1 u ( i,j) 1 (4.16) Rozpatrywana dwuwymiarowa charakterystyka wiąże właściwości pojazdu ze sposobem jego eksploatacji. Prawdopodobieństwo pracy pojazdu w elemencie pola ΔL s(i,j) wyznacza zależność:

40 4. Metodyka badań 4 V,a L f V,a f ( i,j) P s(i,j) dvda (4.17) Związek między prawdopodobieństwem pracy pojazdu w elemencie ΔL s(i,j) a gęstością realizacji procesu losowego jest następujący: lim u t co dla dostatecznie dużych wartości czasu: t (i,j) f ( i,j) f(i,j) L s(i, j) (i,j) (4.18) u (4.19) Charakterystyczną wielkością danego elementu pola pracy pojazdu jest jego środek, który na potrzeby niniejszej pracy wyznaczano jako średnią arytmetyczną początku i końca przedziału danego zakresu prędkości i przyspieszenia pojazdu. W polu pracy pojazdu każdemu punktowi (V, a) przyporządkować można zbiór wybranych parametrów jazdy pojazdu. Przypisując te parametry współrzędnym środka elementu pola pracy w elemencie (i, j), otrzymuje się macierze np. natężenia emisji danego związku toksycznego E k. Na tej podstawie dla danego sposobu eksploatacji pojazdu można wyznaczyć np. drogową emisję poszczególnych zanieczyszczeń: N E t u E (4.2) k t i 1 Jeżeli jednak wymagane jest określenie zależności natężenia emisji zanieczyszczeń jako funkcji tylko prędkości jazdy E k = f(v i ), to sprowadza się ono do wyznaczenia M j 1 M t j 1 (i,j) k(i,j) E (V ) t u E (4.21) k i Jest to jednoznaczne z uśrednieniem przyspieszenia pojazdu dla każdej jego prędkości w granicach (,5 m/s 2 ;,5 m/s 2 ) od wartości zerowej Obiekt badań ( j) k( j) Podczas realizacji pracy wykorzystano samochód osobowy napędzany silnikiem ZI, o przebiegu 92 km, który spełniał normę emisji spalin Euro 4. Do napędu tego samochodu wykorzystano silnik o objętości skokowej 1,8 dm 3 i w którym zastosowano doładowanie mechaniczne. Silnik ten wykorzystuje technologię downsizingu, zastępując większy silnik bez doładowania, co ma skutkować zmniejszeniem zużycia paliwa oraz masy pojazdu. Moment obrotowy przenoszony jest na koła tylnej osi przez pięciostopniową automatyczną skrzynię przekładniową. Układ oczyszczania spalin jest typowy dla silników ZI z wielopunktowym wtryskiem paliwa MPI (Multi Point Injection), czyli trójfunkcyjny reaktor katalityczny. Taki wybór obiektu badawczego potwierdzono faktem, że samochody osobowe reprezentujące wymienioną klasę emisyjną w latach stanowiły znaczący udział pojazdów typu PC na polskich drogach. Dane techniczne obiektu badawczego przedstawiono w tablicy 4.1, a przygotowanie pojazdu do badań na rys. 4.2.

41 4. Metodyka badań 41 Tablica 4.1. Dane techniczne obiektu badawczego Liczba cylindrów/układ Parametry pojazdu 4/rzędowy Objętość skokowa silnika [dm 3 ] 1,8 Moc maksymalna [kw]/przy prędkości obrotowej [obr/min] 13/55 Maksymalny moment obrotowy [Nm]/przy prędkości obrotowej [obr/min] 25/28 5 Norma emisji spalin Euro 4 Układ oczyszczania spalin Skrzynia przekładniowa/ilość przełożeń TWC automatyczna/5 Masa własna [kg] 143 Rys Pojazd badawczy spełniający normę emisji spalin Euro Narzędzia badawcze Pomiary emisji związków szkodliwych spalin przeprowadzono z wykorzystaniem mobilnego systemu analizatorów spalin Semtech DS (rys. 4.3). Aparatura ta została zaprojektowana w celu wykonywania pomiarów emisji spalin w warunkach ruchu drogowego i spełnia w tym zakresie wymogi odpowiednich norm [11, 43, 48, 76]. Aby stężenia związków szkodliwych w spalinach było można odnieść do charakterystyki przejazdu i do warunków pracy układu napędowego, urządzenie Semtech DS, umożliwia komunikację z układem diagnostycznym pojazdu. Przy czym możliwy jest odczyt danych z systemów obsługiwanych przez różne protokoły przesyłu danych, dzięki czemu urządzenie to jest kompatybilne z pojazdami typu PC, LDV oraz HDV. Ponadto do urządzenia dołączono moduł GPS oraz układ pomiaru ciśnienia i temperatury otoczenia. Wszystkie z wymienionych wielkości rejestrowane są z częstotliwością 1 Hz, co umożliwia obserwację dynamicznych zmian stężenia substancji zawartych w spalinach. Podstawową charakterystykę urządzenia przedstawiono w tablicy 4.2. Pomiar stężenia każdego ze związków prowadzony jest w osobnym analizatorze. Do pomiaru stężenia dwutlenku węgla, wykorzystano analizator NDIR (Non-Dispersive Infrared niedyspersyjny na podczerwień), który wykorzystuje zmiany przepuszczalności promieniowania podczerwonego przez próbkę spalin. Tą samą metodę pomiaru, jednak wykorzy-

42 4. Metodyka badań 42 stując promieniowanie o innej długości fali, wykorzystano również w analizatorze do pomiaru stężenia tlenku węgla w spalinach. Zjawisko pochłaniania energii promieniowania użyto również w analizatorze NDUV (Non-Dispersive Ultraviolet niedyspersyjny na ultrafiolet), który służy do pomiaru stężenia tlenków azotu (jako sumy stężenia tlenku i dwutlenku azotu). Jednak w tym przypadku użyto promieniowania ultrafioletowego. Detekcja węglowodorów ma miejsce w urządzeniu wykorzystującym metodę płomieniowo jonizacyjną. We wspomnianej metodzie, wykorzystuje się zjawisko jonizacji płomienia występujące przy spalaniu węglowodorów. Paliwem wykorzystywanym w analizatorze FID jest mieszanka wodoru i helu. Ponadto możliwy jest również pomiar stężenia tlenu w spalinach. Każdy z opisanych analizatorów charakteryzuje się błędem pomiaru nie przekraczającym ±3%. Rys System do pomiaru emisji gazowych związków szkodliwych spalin SEMTECH-DS Tablica 4.2. Podstawowe dane techniczne urządzenia SEMTECH-DS [87] Wielkość Zasada pomiaru Dokładność 1. Stężenie związków CO 2 CO HC NO x = (NO + NO 2 ) O 2 Częstotliwość próbkowania NDIR niedyspersyjna (podczerwień), zakres % 2% NDIR niedyspersyjna (podczerwień), zakres % 1% FID płomieniowo-jonizacyjna, zakres ppm 1 ppm NDUV niedyspersyjna (ultrafiolet), zakres ppm 3 ppm elektrochemiczna, zakres % 2% 1 Hz 2. Przepływ spalin masowe natężenie przepływu T max do 7 C 3. Czas nagrzewania 15 min 4. Obsługiwane SAE J185/SAE J1979 (LDV) systemy SAE J178/SAE J1587 (HDV) diagnostyczne CAN SAE J1939/J2284 (HDV) ±3% zakresu ±3% zakresu ±2,5% zakresu ±3% zakresu ±1% zakresu ±2,5% ±1% zakresu

43 4. Metodyka badań 43 Do urządzenia Semtech DS, ale także do innych tego typu systemów, służących do pomiaru emisji gazowych związków szkodliwych spalin [6, 7], pobrane gazy wylotowe doprowadzane są przewodem ogrzewanym (rys. 4.4). W elemencie tym utrzymywana jest temp. 191 C, aby zapobiec wykraplaniu się węglowodorów. Kolejnym etapem jest odfiltrowanie zanieczyszczeń mechanicznych, po czym spaliny bezpośrednio trafiają do analizatora FID, gdzie następuje pomiar stężenia węglowodorów. W dalszej kolejności analizowane gazy zostają schłodzone do temp. 4 C, po czym następuje pomiar stężenia kolejno tlenków azotu, tlenku węgla, dwutlenku węgla oraz tlenu. Po przejściu całego obiegu, spaliny odprowadzane są do otoczenia. Sygnały ze wszystkich analizatorów oraz z modułów GPS, stacji pogodowej i systemu diagnostyki pokładowej pojazdu, trafiają do jednostki sterującej urządzenia. Rys Zasada działania urządzenia typu PEMS Semtech DS 4.4. Harmonogram badań Plan badań tworzono w ten sposób tak, aby pomiary wpływu przejazdu pojazdem przez zróżnicowaną infrastrukturę drogową na emisję związków szkodliwych spalin zrealizować podczas przejazdu przez miasto, a następnie obwodnicą. Etap pierwszy pomiary emisji spalin w rzeczywistym ruchu podczas przejazdu przez miasto i obwodnicą jednego pojazdu Pierwszym etapem była ekologiczna ocena (pod kątem emisji związków szkodliwych i zużycia paliwa) wybudowania nowej infrastruktury drogowej obwodnicy miejskiej jako lepszego nowoczesnego rozwiązania zastępującego przejazd przez miejscowość. Motywacją do wyboru tej trasy badawczej była nowobudowana obwodnica Żyrardowa (w drodze krajowej nr 5). W pierwszym etapie badań wykonano pomiary emisji związków szkodliwych spalin na drodze nr 5 przebiegającej przez Żyrardów. Przejazdy badawcze wykonywano z wykorzystaniem dwóch różnych tras przejazdu (przez miasto i po obwodnicy tego miasta), przy czym początek i koniec pomiarów znajdował się tych samych miejscach niezależnie od wybranej drogi przejazdu. W obu przypadkach początek i koniec rejestracji mierzonych wartości przypadał na punkt łączenia się obwodnicy i drogi krajowej nr 5

44 4. Metodyka badań 44 (rys. 4.5). Przejazdy przez miasto wykonywano przed otwarciem obwodnicy, gdy cały tranzyt odbywał się przez centrum Żyrardowa. Pomiary emisyjne dotyczące przejazdów z wykorzystaniem obwodnicy, realizowano po jej oddaniu do użytku. Dużo uwagi zwracano na powtarzalność pomiarów, dlatego zarówno podczas przejazdu przez miasto, jak i po obwodnicy wykonano po 1 przejazdów (po 5 przejazdów w obu kierunkach z wykorzystaniem obu tras badawczych). Aby zminimalizować wpływ stylu jazdy kierowcy na uzyskane wyniki, przyjęto zasadę jazdy za pojazdem poprzedzającym, starając się w ten sam sposób utrzymywać stałą prędkość, przyspieszać i zwalniać, a zatem skopiować jego styl jazdy. Taka metodyka jest powszechnie stosowana i nosi nazwę jazdy za liderem. Z wymienionych powodów nie przeprowadzono prób przed otwarciem obwodnicy, kiedy będąc jedynym użytkownikiem, pojazd za każdym razem mógłby przejechać ze stałą prędkością, unikając faz zwalniania i przyspieszania. Początek rejestracji pomiarów Koniec rejestracji pomiarów Rys Mapa z zaznaczonymi punktami początku i końca rejestracji pomiarów Po analizie skróconej charakterystyki przejazdu tras badawczych, zauważyć można, że trasy te charakteryzuje podobna długość przejazdu (tabl. 4.3). Jednak ze względu na mniejszą przepustowość drogi prowadzącej przez centrum miasta oraz występowanie dużo większej liczby węzłów komunikacyjnych, czas przejazdu tą drogą był niemal dwukrotnie dłuższy. Analogicznie średnia prędkość przejazdu przez miasto była ok. dwukrotnie mniejsza. Podczas przejazdów przez miasto i po obwodnicy rejestrowano obraz przed, jak i za pojazdem badawczym, dzięki czemu zobrazowano różnice w charakterze przejazdu, występujące głównie przez odmienne natężenie ruchu pojazdów (rys. 4.6). Przed otwarciem obwodnicy, przy przejeździe przez centrum Żyrardowa, obserwowano duże natężenie ruchu pojazdów ciężarowych. Sytuacja ta nie była odczuwalna przy przejeździe po obwodnicy, co wynikało z większej przepustowości obwodnicy, która jest drogą typu Droga w konfiguracji 2 + 1, charakteryzuje się jednym pasem jazdy w obu kierunkach oraz odcinkowym zwiększeniem liczby pasów jazdy w jednym kierunku do dwóch pasów, przez co istnieje możliwość wyprzedzenia wolniej jadących pojazdów [96]. Po pokonaniu pewnego dystansu, droga ponownie ulega zwężeniu do jednego pasa, natomiast dodatkowy pas pojawia się dla pojazdów jadących w przeciwnym kierunku.

45 4. Metodyka badań 45 Tablica 4.3. Charakterystyka tras badawczych (I etap badań) Parametr Przejazd przez miasto Przejazd po obwodnicy Średnia długość odcinka pomiarowego [km] 13,764 13,745 Średni czas przejazdu [s] 1313,2 659,9 Średnia prędkość jazdy [km/h] 38,45 74,98 Rys Widok z kamery rejestrującej przejazd odcinków badawczych: a) przejazd przez miasto, b) przejazd obwodnicą

46 4. Metodyka badań 46 Wyniki prac tego etapu badawczego przedstawione będą w rozdziale 5.1, w którym zaprezentowano wyniki emisji zanieczyszczeń dla obiektu badawczego wykonane podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą. Etap drugi symulacja emisji spalin podczas przejazdu jednego pojazdu przez miasto i jego obwodnicą Pierwszy etap badań stanowił wstęp do oceny wpływu infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów samochodowych (a dokładnie obiektu badawczego). W przypadku pomiarów w obrębie miasta Żyrardowa, uzyskane wyniki stanowiły informację, jakich różnic ilościowych w emisji związków szkodliwych spalin można się spodziewać przy porównaniu wyników pomiarów emisji spalin i ich symulacji. Do symulacji niezbędne były analizy obejmujące przejazdy przez pojedyncze elementy infrastruktury drogowej. Drugi etap podejmowanych prac dotyczył wyznaczenia wpływu wybranych (pojedynczych) elementów infrastruktury drogowej na emisję związków szkodliwych spalin z pojazdów samochodowych. Pomiary wykonywano podczas najważniejszych potrzebnych do modelowania fragmentów infrastruktury drogowej. Były to m.in.: jazda na wprost, jazda przez skrzyżowanie z ruchem okrężnym oraz przejazdu na wprost (w różnej konfiguracji) przez skrzyżowanie. Ogólnie ujmując, badania przeprowadzono na tradycyjnych skrzyżowaniach, skrzyżowaniach o ruchu okrężnym (rondach) oraz w jednym przypadku rejestrowano przejazd przez skrzyżowanie bezkolizyjne. Symulacji emisji zanieczyszczeń dokonano z wykorzystaniem oprogramowania PTV Vissim [8], które jest narzędziem do symulacji ruchu w skali mikroskopowej [52 54]. Zaletą tego systemu jest możliwość dokładnego odwzorowania geometrii i parametrów modelowanego odcinka drogowego oraz ruchu pojazdów [79]. Opisywane oprogramowanie wyposażono w obszerne bazy danych, zawierających, np. modele ruchu różnych grup pojazdów, jak np.: samochód osobowy, ciężarowy, autobus, motocykl. Ponadto w wersji rozszerzonej zawarto dane, umożliwiające symulacyjne wyznaczenie emisji zanieczyszczeń z pojazdów napędzanych silnikami ZI i ZS, spełniających aktualne oraz wcześniejsze normy emisji spalin. W oprogramowaniu zaimplementowano zestaw modeli emisji spalin VERTIS+ [51, 88, 99] opracowany wspólnie z organizacją TNO (Netherlands Organisation for Applied Scientific Research) z Holandii. Zestaw ten służy do prognozowania wskaźników emisji zanieczyszczeń oraz współczynników wykorzystania energii, które są reprezentatywne dla flot samochodowych w różnych krajach. Współczynniki emisji są zróżnicowane w zależności od typu pojazdów i sytuacji w ruchu. Baza danych emisyjnych VERSIT + opiera się na informacjach z 12 różnych cykli jezdnych w tym wyników badań drogowych. Są one uogólnieniem dla pojazdów i mogą się różnić w stosunku do specyficznych grup pojazdów. W trakcie wykonywania analiz w oprogramowaniu PTV Vissim, możliwy jest podgląd pojazdów znajdujących się w sieci np. z perspektywy z góry lub z perspektywy wybranego pojazdu znajdującego się w sieci (rys. 4.7 i 4.8). Należy jednak pamiętać o znacznych ograniczeniach takiego oprogramowania, sygnalizowanych m.in. w publikacjach [1, 22, 23]. Wyniki prac tego etapu badawczego przedstawione będą w rozdziale 5.2, w którym zaprezentowano wyniki symulacji masy zanieczyszczeń dla obiektu badawczego wykonane podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą.

47 4. Metodyka badań 47 Rys Widok 3D zamodelowanej infrastruktury drogowej Rys Widok z perspektywy pojazdu oraz okno z chwilowymi wartościami wybranych parametrów Etap trzeci symulacja emisji spalin podczas przejazdu potoku pojazdów przez miasto i jego obwodnicą Finalnym trzecim etapem prac była ilościowa ocena charakterystyk przejazdów oraz emisji związków szkodliwych spalin przy przejeździe przez miejscowość i obwodnicą potoku pojazdów. Do prac przyjęto strukturę pojazdów przedstawionych w rozdziale drugim. W rozdziale tym wykorzystano oprogramowanie symulacyjne, jednakże rozpatrywano masę związków szkodliwych dla rzeczywistych wartości natężenia ruchu pojazdów. Wyniki prac tego etapu badawczego przedstawione będą w rozdziale 5.3, w którym zaprezentowano wyniki symulacji masy zanieczyszczeń dla rzeczywistego natężenia ruchu pojazdów wykonane podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą.

48 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 5.1. Badania emisji związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą Przegląd zarejestrowanych wartości W całościowym ujęciu zagadnienia badania emisji związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą podjęto działania mające na celu określenia emisji drogowej związków szkodliwych dla całego przejazdu, nie analizując poszczególnych jego etapów (wybrano miasto Żyrardów z powodu budowy nowej infrastruktury drogowej obwodnicy). W takim podejściu porównano dwie metody służące wyznaczeniu parametrów emisyjnych pojazdów na przykładzie przejazdu przez miejscowość i jego obwodnicą. Pierwsza z omawianych metod polega na sumowaniu stężenia poszczególnych składników gazów wylotowych podczas przejazdu. Drugi sposób wyznaczenia parametrów emisyjnych polega na wykorzystaniu do tego celu charakterystyk histogramów czasowych natężenia emisji związków szkodliwych (sposoby szczegółowo opisane w metodyce badań). Dodatkowe wartości parametrów określających charakterystykę przejazdów rejestrowano z częstotliwością 1 Hz, wykorzystując dane z pokładowego systemu diagnostycznego pojazdu. Warunki pracy jednostek napędowych pojazdów podczas przejazdu przez miejscowość oraz jej obwodnicą są całkowicie odmienne. Celem badań było określenie różnic w zużyciu paliwa oraz emisji spalin z pojazdu przy przejeździe przez miejscowość oraz po obwodnicy miasta Żyrardowa. Miejsce badań zostało wybrane z powodu budowy nowej obwodnicy drogowej, której przebieg przedstawiono na rys Pierwszą część badań wykonano przed oddaniem obwodnicy do użytku, a drugą po udostępnieniu jej do normalnego ruchu drogowego. Analiza uzyskanych wyników badań została przeprowadzona w aspekcie oceny wpływu zmiany parametrów ruchu pojazdu na parametry ekologiczne i ekonomiczne, warunkujące wybór trasy przejazdu. Rys Mapa sytuacyjna obwodnicy Żyrardowa

49 V [km/h] V [km/h] V [km/h] V [km/h] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 49 Charakterystyki przejazdów przez miejscowość oraz obwodnicą (w kierunku przejazdu północ-południe dalej oznaczane jako 1-x oraz w kierunku południe-północ oznaczane jako 2-x): prędkość przejazdu przedstawiono na rys. 5.2 i 5.3, a pozostałe czas przejazdu, drogę i prędkość średnią każdego przejazdu przedstawiono na rys Wartości wymienionych parametrów rejestrowano z częstotliwością 1 Hz wykorzystując dane z systemu GPS, po czym dokonano sumowania oraz przeliczeń w celu wyznaczenia prędkości średniej. Z przedstawionych danych wynika, iż czas przejazdu z kierunku północnego na południowy wynosił od 186 s do 129 s (przy średniej 1137 s, a więc rozrzut wynosił od 51 s mniej do 72 s więcej), natomiast w kierunku odwrotnym czas był zdecydowanie dłuższy (m.in. ze względu na większe natężenie ruchu) i wynosił od 1461 s do 1594 s. Dystans przejazdu obu tras był zbliżony w kolejnych przejazdach i wynosił ok. 13,7 km. Uzyskano w tym aspekcie również dużą powtarzalność, ponieważ dla przejazdów przez miasto, różnice dystansu wynoszą jedynie,39 km, natomiast w przypadku ruchu pojazdu po obwodnicy, rozrzut wyników wyniósł,52 km, co stanowi odpowiednio ok. 2% i 4% najmniejszej zarejestrowanej wartości. Prędkość średnia przy przejeździe przez miasto wynosiła 38,5 km/h, z kolei podczas pokonywania obwodnicy uzyskano wartość na poziomie 75,4 km/h. Oznacza to ponad dwukrotne zwiększenie średniej prędkości przejazdu przy wyborze trasy przejazdu z wykorzystaniem obwodnicy miasta. Tak znaczące zwiększenie prędkości przejazdu przy prawie takim samym dystansie porównywanych dróg przejazdu, przyczyniło się do zmniejszenia średniego czasu pokonywania tras badawczych o ok. 5%, co w bezpośrednim ujęciu czasowym przekłada się skrócenie pojedynczego przejazdu o ok. 11 min Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Przebieg prędkości w poszczególnych próbach pomiarowych przy przejeździe przez miasto: a) kierunek północ-południe, b) kierunek południe-północ Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Przebieg prędkości w poszczególnych próbach pomiarowych przy przejeździe po obwodnicy: a) kierunek północ-południe, b) kierunek południe-północ Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd

50 V śr [km/h] V śr [km/h] S [km] S [km] t [s] t [s] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Rys Czas poszczególnych prób pomiarowych przy przejeździe: a) przez miasto, b) po obwodnicy ,6 13,68 13,56 13,73 13,76 13,87 13,85 13,81 13,83 13, ,12 13,77 13,7 13,67 13,71 13,68 13,67 13,76 13,77 13, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Rys Dystans analizowanych odcinków pomiarowych podczas przejazdu: a) przez miasto, b) po obwodnicy ,51 45,36 41,1 45,1 44,79 34,6 34,22 31,19 34,9 34, ,1 81,29 76,85 67,76 69,46 76,27 83,1 72,49 7,78 72, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Rys Wartości średnie prędkości podczas przejazdu: a) przez miasto, b) po obwodnicy Konsekwencją mniejszej wartości prędkości średniej oraz dłuższego czasu przejazdu przez miasto było również większe zużycie paliwa, które dla przejazdu przez miejscowość wynosiło od,67 dm 3 do,79 dm 3 na badanym odcinku (około 14 km). Różnica między wartościami skrajnymi to,12 dm 3, i jest to wartość zdecydowanie mniejsza niż uzyskana dla pomiarów zużycia paliwa na obwodnicy miejskiej, gdzie skrajne wyniki to,8 dm 3 i,54 dm 3, co skutkuje różnicą wynoszącą,26 dm 3 (rys. 5.7b). Należy zaznaczyć, że wartości mniejsze uzyskano podczas przejazdu z kierunku południowego na północ (przejazd oznaczony jako 2-1 i 2-2), przy mniejszej prędkości średniej i dłuższym czasie przejazdu.

51 CO [mg/s] CO [mg/s] Zużycie paliwa [dm 3 ] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 51,9,8,7,6,5,4,3,2,1,72,72,73,72,74,79,72,67,67, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Rys Wartości średnie prędkości podczas przejazdu: a) przez miasto, b) po obwodnicy Zarejestrowane wartości natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu oraz dwutlenku węgla zmieniają się zgodnie z charakterystyką ruchu drogowego pojazdu poruszającego się za pojazdem poprzedzającym (rys ). Ze względu na sposób przeprowadzania pomiarów natężenie emisji związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto wykazuje mniejsze wahania. Wynika to z dużego natężenia ruchu podczas przejazdu przez miasto, przez co pojazd poprzedzający nie mógł znacząco zmienić stylu jazdy. Obwodnica na której wykonywano pomiary to droga typu 2 + 1, czyli ruch odbywa się w obu kierunkach na jednym pasie oraz okresowo na pewien dystans zaprojektowano dodatkowy pas do wyprzedzania. W chwili pojawienia się tego pasa, kiedy pojazd poprzedzający wykonywał manewr wyprzedzania, również kierowca samochodu badawczego rozpoczynał przyspieszanie, co jest powodem znacznych zmian w natężeniu emisji analizowanych związków spalin. Przy przejeździe przez miasto, wartości natężenia emisji tlenku węgla osiągają wartości do ok. 1,5 mg/s poza pojedynczymi wzrostami tej wielkości do ok. 2 2,5 mg/s (rys. 5.8a). Również na początku przejazdu 1-1 oraz 1-3 zarejestrowano wartości sięgające nawet ok. 4 6 mg/s, które jednak szybko osiągnęły poziom ok. 1,5 mg/s. Opisana odchyłka może być spowodowana brakiem stabilizacji cieplnej silnika na początku opisanych prób badawczych, ponieważ taką samą zależność zaobserwowano w przypadku natężenia emisji węglowodorów. Przejazd po obwodnicy charakteryzował się większym natężeniem wynikającym z większej prędkości obrotowej silnika oraz większego jego obciążenia chwilowe wartości natężenia emisji tlenku węgla były większe niż podczas przejazdu przez miejscowość (rys. 5.8b) Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Natężenie emisji tlenku węgla z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwodnicą (b) w kierunku północ-południe Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd

52 HC [mg/s] HC [mg/s] CO [mg/s] CO [mg/s] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 52 Podobny charakter zmian uzyskano w pomiarach natężenia emisji tlenku węgla przeprowadzonych w kierunku przeciwnym z południa w kierunku północnym. Uzyskane wartości natężenia emisji tlenku węgla podczas przejazdu przez miasto są porównywalne niezależnie od kierunku prowadzonych pomiarów wartości nie przekraczają 1 1,5 mg/s. Natomiast dla przejazdu obwodnicą natężenie emisji tego składnika w pierwszej fazie było większe niż w fazie końcowej. Wynikało to głównie z większej dynamiki przejazdu (mierzonej przyspieszeniem pojazdu) oraz gwałtownym zwiększeniem obciążenia w środkowym fragmencie trasy, gdzie występowało skrzyżowanie z ruchem okrężnym (rys. 5.9) Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Rys Natężenie emisji tlenku węgla z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwodnicą (b) w kierunku południe-północ Podczas przejazdu przez miasto zwiększenie wartości natężenia emisji węglowodorów nie było aż tak znaczące, gdyż chwilowa wartość osiągnęła ok.,5 mg/s, podczas gdy przeciętnie rejestrowano wielkości z zakresu,1,4 mg/s (rys. 5.1a). Podczas przejazdu po obwodnicy emisja węglowodorów przeważnie osiągała wartości w przedziale,1,5 mg/s, jednak każda próba zmiany prędkości pojazdu, a zatem zmiana warunków pracy silnika spalinowego skutkowały chwilowym zwiększeniem natężenia emisji węglowodorów. W przypadku tego związku obserwowano chwilowe wzrosty do ok. 1,5 mg/s (rys. 5.1b). Bardzo zbliżony charakter miały wyniki uzyskane podczas przejazdu w kierunku przeciwnym: południe-północ zarówno dla przejazdu przez miasto, jak i podczas jazdy po obwodnicy (rys. 5.11) Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd ,5 2, 1,5 1, Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd 1-1 2,5 2, 1,5 1, Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd 1-1,5,5, Rys Natężenie emisji węglowodorów z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwodnicą (b) w kierunku północ-południe,

53 NO x [mg/s] NO x [mg/s] NO x [mg/s] NO x [mg/s] HC [mg/s] HC [mg/s] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 53 2,5 2, 1,5 1, Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd 2-1 2,5 2, 1,5 1, Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd 2-1,5,5, Rys Natężenie emisji węglowodorów z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwodnicą (b) w kierunku południe-północ Natężenie emisji tlenków azotu podczas przejazdu przez miasto przyjmowało najczęściej wartości poniżej,5 mg/s (niezależnie od kierunku jazdy). Co pewien czas rejestrowano zwiększenie natężenia emisji tlenków azotu do ok. 4 mg/s, co wynikało z przyspieszania pojazdu głównie podczas ruszania (rys. 5.12a i 5.13a). Podczas przejazdu po obwodnicy silnik pojazdu był bardziej obciążony, co mogłoby wskazywać na większe natężenie emisji tlenków azotu. Jednak podczas ustalonej pracy silnika rejestrowane wartości są zbliżone, jak podczas przejazdu przez miasto. Spowodowane to jest działaniem trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. Dopiero chwilowe zwiększenie obciążenia silnika powoduje chwilowe (gwałtowne) zwiększenie natężenia emisji tlenków azotu nawet do ponad 12 mg/s (rys. 5.12b i 5.13b) Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd 1-1, Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Natężenie emisji tlenków azotu z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwodnicą (b) w kierunku północ-południe Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Rys Natężenie emisji tlenków azotu z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwodnicą (b) w kierunku południe-północ

54 CO 2 [g/s] CO 2 [g/s] CO 2 [g/s] CO 2 [g/s] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 54 Natężenie emisji dwutlenku węgla podczas jazdy miejskiej (rys. 5.14a i 5.15a) charakteryzowało się nie przekraczaniem wartości 3 g/s. Z dużym prawdopodobieństwem można przyjąć, że wartość średnia wynosiła około 1,5 g/s (niezależnie od kierunku pomiarowego podczas jazdy w mieście). Natomiast przejazd obwodnicą charakteryzował się uzyskiwaniem do 5 g/s, z chwilowym zwiększeniem tej wartości do poziomu około 1 g/s (rys. 5.14b i 5.15b) było to spowodowane zwiększeniem obciążenia silnika lub jego prędkości obrotowej (wynikowo prędkości jazdy co pokrywa się z tą charakterystyką przedstawioną np. na rys. 5.3b) Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Natężenie emisji dwutlenku węgla z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwodnicą (b) w kierunku północ-południe Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Rys Natężenie emisji dwutlenku węgla z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) obwodnicą (b) w kierunku południe-północ W kolejnym etapie analizy zaprezentowano przebiegi masy związków szkodliwych w sposób narastający. Miało to na celu wykazanie, nie tylko wartości końcowej, ale również zmian w poszczególnych przejazdach. Natężenie emisji poszczególnych związków szkodliwych sumowane co 1 s, umożliwiło uzyskanie masy związku szkodliwego wyemitowanego na odcinku pomiarowym. Na kolejnych rysunkach zaprezentowano wykresy skumulowane wartości natężenia emisji wartości maksymalne oznaczają całkowitą masę danego związku szkodliwego wyznaczonego w poszczególnych przejazdach. Wyznaczone przebiegi (narastająco) masy tlenku węgla podczas przejazdu przez miasto charakteryzują się specyficznym zwiększeniem tej wartości w środkowej części trasy (rys. 5.16a i 5.17a). Ma to związek ze skrzyżowaniem, które występowało na tym odcinku a wymagało to zatrzymania pojazdu i ponownego przyspieszania do wartości Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd

55 CO [mg] CO [mg] CO [mg] CO [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 55 ustalonej. Wszystkie zarejestrowane przebiegi podczas jazdy przez miejscowość charakteryzowały się znaczną powtarzalnością, która nie występowała już dla pomiarów podczas jazdy obwodnicą (rys. 5.16b i 5.17b). Uzyskiwane wartości końcowe w dużej mierze zależały od dynamicznych warunków ruchu które dla przejazdu oznaczonego jako 1-4 były znaczące i odbiegają od pozostałych uzyskanych wyników (rys. 5.16b). Dla przejazdów oznaczonych jako 2-1 i 2-2 (rys. 5.17b), charakteryzujących się najmniejszą prędkością średnią i najmniejszym zużyciem paliwa osiągnięto najmniejszą masę wyemitowanego tlenku węgla wynoszącą około 46 mg (dla kierunku przejazdu południe-północ) Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Masa tlenku węgla (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku północ-południe na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Rys Masa tlenku węgla (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku południe-północ na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Masa wyemitowanych węglowodorów dla wszystkich przejazdów przez centrum Żyrardowa oznaczonych symbolami 1-x zawiera się w granicach mg (niezależnie od kierunku jazdy w którym następował pomiar rys. 5.18a i 5.19a), natomiast podczas przejazdu po obwodnicy miasta, masa węglowodorów wynosiła mg. Mniejszym rozrzutem wartości charakteryzował się przejazd miejski, który swoim przebiegiem był zbliżony do przebiegu zmian masy tlenku węgla. Podczas przejazdu po obwodnicy wartości sumarycznej masy węglowodorów są mniejsze lub porównywalne z wartościami uzyskiwanymi podczas przejazdu przez miasto. Świadczy to o wydajniejszej pracy układów oczyszczania spalin, mimo większego natężenia przepływających spalin, dzięki większym wartościom temperatury spalin, a co się z tym wiąże elementów reaktora katalitycznego Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd

56 NO x [mg] NO x [mg] HC [mg] HC [mg] HC [mg] HC [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Masa węglowodorów (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku północ-południe na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Rys Masa węglowodorów (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku południe-północ na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Przebieg określonej narastająco masy tlenków azotu podczas przejazdu przez miasto był bardzo powtarzalny (rys. 5.2a i 5.21a). Uzyskane wartości końcowe mieściły się w zakresie od 17 mg do 25 mg; dla tego samego kierunku badań rozrzut wyników nie był większy niż 5 mg. Większą niepowtarzalnością charakteryzował się pomiar tej wielkości prowadzony podczas jazdy obwodnicą niezależnie od kierunku prowadzonych badań (rys. 5.2b i 5.21b). Uzyskiwane przebiegi świadczą o dynamicznej jeździe, a jednocześnie dla przytaczanych wcześniej przebiegów (oznaczonych jako 2-1 i 2-2 na rys. 5.21b) wartości masy tlenków azotu otrzymano najmniejsze (dla kierunku południe-północ) Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Masa tlenków azotu (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku północ-południe na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd

57 CO 2 [g] CO 2 [g] CO 2 [g] CO 2 [g] NO x [mg] NOx [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Rys Masa tlenków azotu (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku południe-północ na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Skumulowana masa dwutlenku węgla charakteryzuje się najmniejszym rozrzutem wartości (niezależnie od trasy pomiarowej i kierunku prowadzonych badań). Rozrzut tych wartości dla części miejskiej nie przekracza 2 g (co stanowi wartość poniżej 1% uzyskiwanych wyników rys. 5.22a i 5.23a), natomiast dla jazdy obwodnicą nie przekracza 4 g. Stanowi to już większy udział procentowy (ok. 4%), wynikający z faktu uzyskiwania mniejszych wartości tej wielkości podczas badań w kierunku południe-północ (rys. 5.23) Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Masa dwutlenku węgla (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku północ-południe na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Rys Masa dwutlenku węgla (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku południe-północ na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd

58 HC [mg/km] HC [mg/km] CO [mg/km] CO [mg/km] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Analiza uzyskanych wyników Wyznaczone wartości przebiegów przedstawionych wielkości (przy znajomości podstawowych parametrów drogi, czasu oraz prędkości średniej), pozwoliły na obliczenie wartości drogowej emisji zanieczyszczeń w poszczególnych przejazdach. Uzyskane wyniki można scharakteryzować w następujący sposób: emisja drogowa tlenku węgla (rys. 5.24) wartości uzyskiwane podczas przejazdu trasą miejską są zdecydowanie większe (z przedziału 45, 61, mg/km) niż podczas przejazdu obwodnicą (zakres 18,6 58,3 mg/km), emisja drogowa węglowodorów (rys. 5.25) wartości uzyskiwane podczas przejazdu przez miasto są większe (11,8 15,7 mg/km) niż podczas przejazdu obwodnicą (9,7 14,6 mg/km), emisja drogowa tlenków azotu (rys. 5.26) wartości uzyskiwane podczas przejazdu przez miasto są mniejsze (13,9 17,8 mg/km) niż podczas przejazdu obwodnicą (11,9 34, mg/km), emisja drogowa dwutlenku węgla (rys. 5.27) wartości uzyskiwane podczas przejazdu przez miasto są porównywalne z wartościami uzyskiwanymi podczas przejazdu obwodnicą (ok. 12 g/km). Stwierdzono mniejsze rozrzuty wartości dla przejazdów miejskich w stosunku do rozrzutów wyników dla przejazdów obwodnicą. Było to spowodowane głównie równomiernym (dużym) natężeniem ruchu miejskiego podczas wszystkich pomiarów, natomiast poruszanie się obwodnicą miejską wynikało z dostosowania jazdy za pojazdem poprzedzającym (jazda za liderem). 7 59,3 59,5 61,5 58,6 61, 6 49,4 52,9 54,2 55, 5 45, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu ,3 54,6 55,3 46,2 37,3 34,6 33,7 26, 23,1 18, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Rys Emisja drogowa tlenku węgla w czasie pomiaru na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą ,8 14,5 11,8 12, 12,5 15,7 13,8 15, 15,1 14, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu ,6 13,7 13,3 13,6 11,4 1,7 11,2 9,8 9,7 9, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Rys Emisja drogowa węglowodorów w czasie pomiaru na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą

59 CO 2 [g/km] CO 2 [g/km] NO x [mg/km] NO x [mg/km] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów ,9 14,9 16, 13,5 15,6 16,3 17,8 15,5 16,5 15, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu ,8 34, 29,3 24,7 22,5 19,2 19,3 16,9 15,1 11, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu Rys Emisja drogowa tlenków azotu w czasie pomiaru na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą ,1 125,8 129,5 117,7 116,9 125, 127,9 137,4 125, 121, Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu 139,5 131,1 128,5 121,8 115,1 114,3 12,9 114,2 94,4 97,6 Rys Emisja drogowa dwutlenku węgla w czasie pomiaru na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Podsumowaniem analizy wpływu budowy i użytkowania obwodnicy miejskiej na ekologiczność i ekonomiczność przejazdu pojazdem w aspekcie przejazdu przez miejscowość jest porównanie najważniejszych czynników, które w decydujący sposób mogą to warunkować: średni czas przejazdu przez miasto wynosił 1313 s, natomiast dla przejazdu obwodnicą czas ten wynosił 66 s; odchylenie standardowe dla tych wartości to odpowiednio 183 s i 51 s w wartościach względnych to 14% i 8% (rys. 5.28), średni dystans przejazdu przez miasto wynosił 13,76 km, natomiast dla przejazdu obwodnicą dystans ten wynosił 13,75 km; odchylenie standardowe dla tych wartości to odpowiednio,12 km i,13 km, a w wartościach względnych to,9% i 1,% (rys. 5.29), prędkość średnia przejazdu przez miasto wynosiła 38,5 km/h, natomiast dla przejazdu obwodnicą prędkość średnia wynosiła 75,4 km/h; odchylenie standardowe dla tych wartości to odpowiednio 5,2 km/h i 5,5 km/h, a w wartościach względnych to 13,5% i 7,3% (rys. 5.3), emisja drogowa tlenku węgla wyznaczona podczas przejazdu przez miasto wynosiła 55,7 mg/km, natomiast dla przejazdu obwodnicą wartość ta wynosiła 38,8 mg/km; odchylenie standardowe dla tych wartości to odpowiednio 4,9 mg/km i 13,5 mg/km, a w wartościach względnych to 8,8% i 35% (rys. 5.31), emisja drogowa węglowodorów wyznaczona podczas przejazdu przez miasto wynosiła 13,9 mg/km, natomiast dla przejazdu obwodnicą wartość ta wynosiła 11,8 mg/km; odchylenie standardowe dla tych wartości to odpowiednio 1,3 mg/km i 1,7 mg/km, a w wartościach względnych to 9,4% i 15% (rys. 5.32), Północ-Południe Południe-Północ Kierunek i nr przejazdu

60 CO [mg/km] CO [mg/km] V śr [km/h] V śr [km/h] S [km] S [km] t [s] t [s] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Północ-Południe Południe-Północ Średnia Rys Czas przejazdu wyznaczony dla poszczególnych kierunków jazdy wraz z wartością średnią podczas przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą ,67 13,86 13,76 Północ-Południe Południe-Północ Średnia Rys Dystans przejazdu wyznaczony dla poszczególnych kierunków jazdy wraz z wartością średnią podczas przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą ,4 33,6 Północ-Południe Południe-Północ 38,5 Średnia Rys Prędkość średnia przejazdu wyznaczona dla poszczególnych kierunków jazdy wraz z wartością średnią podczas przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Północ-Południe Południe-Północ Średnia 13,79 13,7 13,75 Północ-Południe Południe-Północ 72,6 78,2 Północ-Południe Południe-Północ Średnia 75,4 Średnia ,1 53,4 55, ,7 44,9 38, Północ-Południe Południe-Północ Średnia Rys Emisja drogowa tlenku węgla wyznaczona dla poszczególnych kierunków jazdy wraz z wartością średnią podczas przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Północ-Południe Południe-Północ Średnia

61 NO x [mg/km] NO x [mg/km] HC [mg/km] HC [mg/km] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów ,1 14,8 Północ-Południe Południe-Północ 13,9 Średnia Rys Emisja drogowa węglowodorów wyznaczona dla poszczególnych kierunków jazdy wraz z wartością średnią podczas przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą emisja drogowa tlenków azotu wyznaczona podczas przejazdu przez miasto wynosiła 15,6 mg/km, natomiast dla przejazdu obwodnicą wartość ta wynosiła 22,6 mg/km; odchylenie standardowe dla tych wartości to odpowiednio 1,2 mg/km i 7,4 mg/km, a w wartościach względnych to 7,7% i 32% (rys. 5.33), emisja drogowa dwutlenku węgla wyznaczona podczas przejazdu przez miasto wynosiła 125,5 g/km, natomiast dla przejazdu obwodnicą wartość ta wynosiła 117,7 g/km; odchylenie standardowe dla tych wartości to odpowiednio 5,7 g/km i 13,3 g/km, a w wartościach względnych to 4,5% i 11,3% (rys. 5.34), przebiegowe zużycie paliwa wyznaczone podczas przejazdu przez miasto wynosiło 5,2 dm 3 /1 km, natomiast dla przejazdu obwodnicą wartość ta wynosiła 4,9 dm 3 /1 km; odchylenie standardowe dla tych wartości to odpowiednio,24 dm 3 /1 km i,56 dm 3 /1 km, a w wartościach względnych to 4,5% i 11,4% (rys. 5.35). Porównując otrzymane wartości rozpatrywanych tutaj wielkości należy stwierdzić, że większe odchylenie standardowe dla trasy przejazdu miejskiej otrzymano dla czasu przejazdu i prędkości średniej. Świadczy to o większym rozrzucie otrzymanych wyników, a jednocześnie są to wielkości, których wartości są mniejsze w porównaniu do przejazdu obwodnicą miasta Żyrardowa. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że otrzymane rozrzuty wyników i odchylenia standardowe są wyznacznikiem niepowtarzalności badań drogowych i nie wpływają negatywnie na otrzymane wyniki badań są cechą charakterystyczną takich badań i wskazują, że przyjmowanie wartości uśrednionych należy choć w minimalnym stopniu poprzedzić analizą ich dokładności ,4 Północ-Południe Południe-Północ 11,2 11,8 Średnia ,8 16,4 15, ,5 27,6 22, Północ-Południe Południe-Północ Średnia Północ-Południe Południe-Północ Średnia Rys Emisja drogowa tlenków azotu wyznaczona dla poszczególnych kierunków jazdy wraz z wartością średnią podczas przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą

62 Q [dm 3 /1 km] Q [dm 3 /1 km] CO 2 [g/km] CO 2 [g/km] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów ,6 127,3 125,5 Północ-Południe Południe-Północ Średnia Rys Emisja drogowa dwutlenku węgla wyznaczona dla poszczególnych kierunków jazdy wraz z wartością średnią podczas przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą ,1 5,3 5,2 Północ-Południe Południe-Północ Średnia Rys Przebiegowe zużycie paliwa wyznaczone dla poszczególnych kierunków jazdy wraz z wartością średnią podczas przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą Uzyskane wartości średniego parametru dla każdego typu przejazdu pozwoliły na porównanie analizowanej infrastruktury drogowej w aspekcie ekonomicznym i ekologicznym. Wykorzystano do tego wartości uśrednione dla przejazdu przez miasto (infrastruktura istniejąca), które przyjęto jako odniesienie do porównania z tworzoną infrastrukturą obwodnicą miasta Żyrardowa. Wnioski z porównania są następujące: skrócenie czasu przejazdu o połowę obwodnicą miasta Żyrardowa w stosunku do przejazdu przez miasto (rys. 5.36a); wynik taki uzyskano, gdyż długość obwodnicy była równa długości trasy przejazdu przez miasto (rys. 5.36b); w przypadku innych relacji wynik może być również inny; jest to uwarunkowane relacją długości obwodnicy do m.in. natężenia ruchu miejskiego, liczby skrzyżowań, częstości zatrzymań itp.; dwukrotne zwiększenie prędkości średniej podczas przejazdu obwodnicą miasta Żyrardowa w stosunku do przejazdu przez miejscowość (rys. 5.36c) na trasie obwodnicy nie występowały żadne dodatkowe elementy infrastruktury drogowej (np. skrzyżowania, przejścia dla pieszych itp.). Pod względem ekologicznym wnioski z porównania przejazdu trasą przez miejscowość i obwodnicą są następujące: zmniejszenie emisji drogowej tlenku węgla o około 3%, skutkuje mniejszą masą tego związku podczas całego przejazdu obwodnicą miejską; przy znacznie większym natężeniu jego emisji podczas przejazdu obwodnicą miejską na co ma wpływ większa prędkość jazdy i większe obciążenie silnika, jednakże skrócenie czasu przejazdu powoduje, że całkowita masa jest mniejsza (rys. 5.36d); porów ,2 18,3 Północ-Południe Południe-Północ 5,3 4,5 Północ-Południe Południe-Północ 117,7 Średnia 4,9 Średnia

63 CO 2 obwodnica /CO 2 miasto [%] Q obwodnica /Q miasto [%] HC obwodnica /HC miasto [%] NO x obwodnica /NO x miasto [%] V śr obwodnica /V śr miasto [%] CO obwodnica /CO miasto [%] t obwodnica /t miasto [%] S obwodnica /S miasto [%] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 63 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, 1, Przejazd przez miasto 5% c) d) 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, e) f) 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, 1, g) h) 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Przejazd przez miasto 1, Przejazd przez miasto 1, Przejazd przez miasto +1% 2% 1%,5 Przejazd obwodnicą 2, Przejazd obwodnicą,8 Przejazd obwodnicą,9 Przejazd obwodnicą 1, 1, Rys Porównanie parametrów ekonomicznych i ekologicznych podczas przejazdu przez miasto (wskaźnik względnej wartości równy jeden) i obwodnicą: a) czasu przejazdu, b) długości trasy, c) prędkości średniej, d) emisji drogowej tlenku węgla, e) emisji drogowej węglowodorów, f) emisji drogowej tlenków azotu, g) emisji drogowej dwutlenku węgla, h) przebiegowego zużycia paliwa 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, Przejazd przez miasto 1, Przejazd przez miasto 1, Przejazd przez miasto 1, Przejazd przez miasto 3% +4% 1% Przejazd obwodnicą,7 Przejazd obwodnicą 1,4 Przejazd obwodnicą,9 Przejazd obwodnicą

64 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 64 nanie uzyskanych wartości emisji drogowej tlenku węgla podczas przejazdu przez miejscowość i obwodnicą uwidacznia, że aby uzyskać tą samą wartość masy wyemitowanego tlenku węgla długość obwodnicy mogłaby być o 3% dłuższa od długości trasy przejazdu przez miasto; zmniejszeniu o około 2% uległa również emisja drogowa węglowodorów podczas przejazdu obwodnicą miejską (rys. 5.36e); dla badanego pojazdu wyposażonego w silnik ZI, spełniającego normę Euro 4 masa emitowanych węglowodorów była około 4-krotnie mniejsza od masy tlenku węgla obydwa wymienione składniki są skutecznie utleniane przez zastosowany reaktor katalityczny; zwiększona emisja drogowa tlenków azotu o około 4% wynikała głównie z większego obciążenia silnika spalinowego (i większej prędkości obrotowej) spowodowanego większą prędkością jazdy obwodnicą miejską w stosunku do jazdy miejskiej (rys. 5.36f); zmniejszeniem emisji drogowej dwutlenku węgla o około 1% podczas przejazdu obwodnicą miejską wynikało głównie z krótszego czasu jazdy, gdyż natężenie emisji tego związku również było większe wynikało z większej prędkości jazdy (rys. 5.36g); konsekwencją tego były również wartości przebiegowego zużycia paliwa było one mniejsze dla przejazdu obwodnicą również o około 1% (rys. 5.36h). Należy zaznaczyć, że nieporuszanym do tej pory zagadnieniem zaletą stosowania obwodnic miejskich jest wyprowadzenie całego ruchu tranzytowego poza obszar miejski i miejsce emisji zanieczyszczeń. Ochrona środowiska miejskiego i środowiska przebywania ludzi jest w tym aspekcie nie do pominięcia. Już samo zapobieganie emitowaniu związków szkodliwych przez transport drogowy w obszarach miejskich i przeniesienie go poza obszar zamieszkiwany przez ludność jest korzyścią stosowania obwodnic miejskich Dwuwymiarowe charakterystyki natężenia emisji zanieczyszczeń Podstawą do wyznaczenia emisji drogowej lub masy związków szkodliwych spalin są przebiegi natężenia emisji zarejestrowane (lub obliczone ze stężenia i natężenia przepływu spalin) podczas pomiarów. Jednakże w takim przypadku pozostają nieznane (w formie jawnej) warunki rejestrowania danych wartości natężenia emisji zanieczyszczeń. Rozwiązaniem tej kwestii jest przedstawienie natężenia emisji zanieczyszczeń w formie dwuwymiarowych charakterystyk odniesionych do prędkości i przyspieszenia pojazdu czyli charakterystyk we współrzędnych prędkość przyspieszenie pojazdu. Dodatkowo do określenia emisji drogowej wymagana jest znajomość udziału czasu pracy w poszczególnych przedziałach prędkości i przyspieszenia pojazdu. Takie charakterystyki wykonano dla uśrednionych przejazdów przez miasto i po obwodnicy, zarówno w kierunku północ-południe, jak i w kierunku przeciwnym południe-północ. Podczas przejazdu przez miasto prędkość jazdy zmienia się w granicach od m/s do 24 m/s, przy czym dominuje jazda ze stałą prędkością od 14 m/s do 22 m/s oraz przyspieszenia do,5 m/s 2 i opóźnienia do,5 m/s 2 (rys. 5.37a i 5.38a). Z kolei przejazd po obwodnicy cechuje zmienność prędkości w zakresie od m/s do 3 m/s, jednak prędkości do 16 m/s mają znikomy udział w ogólnym czasie przejazdu (rys. 5.37b i 5.38b). Podobne charakterystyki wykonano również dla pozostałych przejazdów. Aby wyznaczyć wyemitowaną masę związków szkodliwych z wykorzystaniem dwuwymiarowej charakterystyki udziału czasu pracy i natężenia emisji zanieczyszczeń, należy (algorytm przedstawiony dla jednego kierunku pomiaru, np. północ-południe):

65 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 65 Rys Wartości udziału czasu pracy pojazdu we współrzędnych prędkość przyspieszenie pojazdu (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą Rys Wartości udziału czasu pracy pojazdu we współrzędnych prędkość przyspieszenie pojazdu (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą wyznaczyć średni udziału czasu pracy pojazdu podczas przejazdów (łączny dla wszystkich przejazdów); wyznaczyć jedną wspólną charakterystykę natężenia emisji danego związku z pojazdu; charakterystyka taka wykonana we współrzędnych prędkość przyspieszenie pojazdu jako wynik wszystkich przejazdów jest przedstawiona np. na rys Charakterystyka taka mogłaby być wykonana na dowolnym obszarze badawczym, przy wymaganiu objęcia zakresem pracy pojazdu całej charakterystyki zmienności prędkości i przyspieszenia. Na podstawie prowadzonych badań własnych Autora można stwierdzić, że kilkugodzinna rejestracja emisji danego związku w różnorodnych warunkach jazdy jest wystarczająca do opracowania charakterystyki emisji pojazdu (w odniesieniu do danej kategorii emisyjnej pojazdu i rodzaju silnika). Zastosowanie takiego rozwiązania w niniejszej pracy nie jest możliwe ze względu na różnorodny stan termiczny silnika pojazdu i układu oczyszczania spalin podczas badań emisji zanieczyszczeń podczas jazdy miejskiej i jazdy obwodnicą miasta. Szczególnie temperatura ostatniego z wymienionych elementów ma wpływ na skuteczność oczyszczania spalin (obiektem badań był silnik ZI, a pojazd wyposażony był w trójfunkcyjny reaktor katalityczny); wyznaczyć masę danego związku szkodliwego w rozpatrywanym przejeździe (odpowiednio miasto, obwodnica) dzięki znajomości charakterystyki natężenia emisji każdego związku, znajomości udziału czasu pracy w przedziałach prędkości i przyspieszenia oraz średniego czasu przejazdu. Zsumowanie iloczynów poszczególnych pól charakterystyki natężenia emisji danego związku i czasu udziału

66 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 66 pozwala na wyznaczenie całkowitej masy danego związku szkodliwego wyemitowanego w poszczególnych przejazdach. Charakterystyki natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu oraz dwutlenku węgla dla przejazdów północ-południe oraz południe-północ przedstawiono rys Podobnie jak w przypadku udziału czasu pracy pojazdu we współrzędnych prędkość przyspieszenie pojazdu, charakterystyka natężenia emisji wszystkich omawianych związków spalin znacząco różni się dla obu porównywanych przejazdów, ponieważ wykonywane są dla przejazdów w całkowicie różnych warunkach eksploatacji. Podczas przejazdu po obwodnicy największy udział w emisji danego związku ma zakres prędkości pojazdu 2 3 m/s, natomiast podczas przejazdu przez miejscowość znaczący udział ma zakres prędkości pojazdu m/s. Pozostałe przedziały prędkości są mniej istotne z punktu widzenia emisji związków szkodliwych spalin, ponieważ ich udział czasowy jest niewielki lub emisja w analizowanym punkcie pracy pojazdu jest mała. Puste pola na przedstawionych charakterystykach oznaczają, że dany przedział prędkości i przyspieszenia pojazdu nie był rejestrowany podczas takiego przejazdu, natomiast wartość zerowa natężenia emisji jest reprezentowana przez płaski kwadrat w danym zakresie prędkości i przyspieszenia pojazdu. Rys Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą Rys Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą

67 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 67 Rys Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji węglowodorów węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą Rys Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji węglowodorów (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą Rys Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą

68 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 68 Rys Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą Rys Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą Rys Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą

69 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 69 Wyznaczone wartości masy wyemitowanych związków szkodliwych przy wykorzystaniu wzoru ogólnego: m t E(V i,a j) u(v i,a j), (5.1) i,j podczas przejazdu przez miasto i obwodnicą były następujące (dla kierunku północ- -południe i południe-północ): masa tlenku węgla: podczas przejazdu przez miasto: 74 mg oraz 829 mg; wartość średnia 767 mg, podczas przejazdu obwodnicą: 492 mg oraz 573 mg; wartość średnia 532 mg, masa węglowodorów: podczas przejazdu przez miasto: 177 mg oraz 27 mg; wartość średnia 192 mg, podczas przejazdu obwodnicą: 165 mg oraz 159 mg; wartość średnia 162 mg, masa tlenków azotu: podczas przejazdu przez miasto: 2 mg oraz 229 mg; wartość średnia 214 mg, podczas przejazdu obwodnicą: 33 mg oraz 317 mg; wartość średnia 31 mg, masa dwutlenku węgla: podczas przejazdu przez miasto: 1588 g oraz 1864 g; wartość średnia 1726 g, podczas przejazdu obwodnicą: 1666 g oraz 1573 g; wartość średnia 162 g. Uzupełnieniem takiego opracowania wyników jest porównanie uzyskanych wyników metodą konwencjonalną (opisaną w podrozdziałach oraz 5.2.2) i metodą z wykorzystaniem dwuwymiarowych charakterystyk natężenia emisji. Porównanie takie przedstawiono w tabl. 5.1, z której wynika, że największe różnice względne takiego porównania nie przekraczają,1% (wynikają tylko z dokładności zaokrąglania wyników). Wynik taki wskazuje na możliwość zamiennego wykorzystywania obu metod, przy braku wskazania na którąkolwiek. Należy jednak zaznaczyć, że metoda wyznaczania emisji zanieczyszczeń z wykorzystaniem dwuwymiarowych charakterystyk w sposób jawny ukazuje właściwości dynamiczne ruchu pojazdu w których ta masa została wyznaczona, a jednocześnie daje pogląd na charakter przejazdu. Tablica 5.1. Porównanie wyników (dokładnych wartości średnich) uzyskanych metodą konwencjonalną wyznaczania emisji zanieczyszczeń i metodą z wykorzystaniem dwuwymiarowych charakterystyk natężenia emisji Związek szkodliwy Tlenek węgla Węglowodory Tlenki azotu Dwutlenek węgla Trasa M miasto, O obwodnica. Metoda konwencjonalna Metoda z wykorzystaniem dwuwymiarowych charakterystyk Błąd względny M 767,2 mg 766,9 mg,4% O 532,2 mg 532,6 mg,75% M 191,8 mg 191,9 mg,52% O 162, mg 162,1 mg,62% M 214,4 mg 214,4 mg,% O 31, mg 31,3 mg,97% M 1726,7 g 1726,2 g,29% O 162,7 g 162, g,43%

70 Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń z transportu drogowego Symulacje emisji zanieczyszczeń przejazdu przez miasto Na potrzeby symulacji przejazdu pojazdem przez miasto stworzono model trasy (rys. 5.47), składający się z charakterystycznych odcinków znajdujących się na drodze przejazdu (oznaczenie drogi nr 5 przed wybudowaniem obwodnicy). Były to m.in.: jazda na wprost oraz przejazd na wprost przez skrzyżowanie (w różnej konfiguracji dla różnej liczby zatrzymań przed skrzyżowaniem). Etapem początkowym był wybór modelowanych odcinków, po czym stworzono geometrię modelu na podstawie zdjęcia satelitarnego z Google Maps (wybrane przykłady przedstawiono na rys i 5.49). Końcowym etapem była parametryzacja modelowanych fragmentów infrastruktury drogowej. Sochaczew 5 Żyrardów 2 1 Mszczonów Rys Schemat symulowanej trasy przejazdu przez miejscowość (Żyrardów): 1 punkt początkowy symulacji, 2 punkt końcowy symulacji Rys Początkowy odcinek dojazdu do Żyrardowa: a) zdjęcie satelitarne, b) model Rys Przejazd przez centrum Żyrardowa: a) zdjęcie satelitarne, b) model

71 CO [mg] CO [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 71 Przystępując do modelowania emisji zanieczyszczeń przyjęto założenie, że w pierwszej kolejności wykonana będzie symulacja dla pojazdu wykorzystanego podczas badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego (dla etapu przed otwarciem obwodnicy miejskiej). Dla takiego pojazdu przygotowano symulację przejazdu przez miasto, zgodnie z uwarunkowaniami ruchu, które obowiązywały podczas poprzednio opisanych badań. W pierwszym etapie wskaźniki emisji zanieczyszczeń przyjęto zgodnie z zaimplementowanymi w programie PTV Vissim. Parametry pojazdu i ruchu były następujące (w nawiasie podano parametry przyjęte podczas symulacji, wykorzystywane w programie Vissim): samochód osobowy z silnikiem o zapłonie iskrowym o objętości skokowej silnika 1,8 dm 3 (Vissim: objętość skokowa 1,8 dm 3 ), klasa ekologiczna Euro 4 (Vissim: Euro 4), masa własna 1485 kg (Vissim: kg), natężenie ruchu 679 pojazdów/h (Vissim: 679 pojazdów/h). Dla przyjętych parametrów pojazdu i ruchu dokonano symulacji emisji związków szkodliwych, której wyniki porównano z wartościami uzyskanymi z rzeczywistego przejazdu. Podstawą tożsamego przejazdu rzeczywistego i symulacji była zgodność długości trasy i czasu przejazdu. Z przedstawionych charakterystyk przejazdu w poprzednim podrozdziale wynika, że prędkość przejazdu w części początkowej i końcowej charakteryzowała się wartościami z przedziału 3 5 km/h, to druga część charakteryzowała się znacznym czasem postoju. W związku z tym w symulacji uwzględniono świetlne sterowanie ruchem na poszczególnych skrzyżowaniach. Porównanie masy wyemitowanego tlenku węgla podczas przejazdu przez miasto (rys. 5.5a) uwidacznia, że wyniki uzyskane podczas symulacji są znacznie większe niż wyniki otrzymane z pomiarów. Zwracają uwagę również charakterystyczne wartości masy podczas dojazdu do skrzyżowań, przejazdu przez trzy skrzyżowania oraz dojazdu do punktu końcowego pomiarów. Zsumowanie masy ze wszystkich odcinków i porównanie z wynikiem z pomiarów uwidacznia znaczną różnicę, która w stosunku do wartości średniej z przejazdów jest większa o 133% (rys. 5.5b). Świadczy to o znacznym zawyżaniu wyników symulacji w stosunku do wartości rzeczywistej pomiary symulacja pomiary +133% 171 symulacja Rys Porównanie masy tlenku węgla podczas badań symulacyjnych oraz z pomiarów podczas przejazdu przez miasto: a) wartości chwilowe narastająco, b) wartości końcowe uzyskane podczas symulacji i z pomiarów Inny charakter wyników (rzeczywistych i symulacji) uzyskano w odniesieniu do porównania masy wyemitowanych węglowodorów podczas przejazdu przez miasto. W pierwszym fragmencie trasy (do ok. trzeciego kilometra) większe wartości uzyskiwano z pomiarów w rzeczywistym ruchu drogowym, natomiast w pozostałym fragmencie wyniki symulacji były większe (rys. 5.51a). Dla całego przejazdu wyniki symulacji są większe od wartości z pomiarów jedynie o 17% (rys. 5.51b).

72 CO 2 [g] CO 2 [g] NO x [mg] NO x [mg] HC [mg] HC [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 72 Porównanie wartości masy tlenków azotu wyznaczonej z badań oraz podczas prowadzonej symulacji uwidacznia podobnie jak w przypadku tlenku węgla niezgodność uzyskanych wartości (rys. 5.52). Zwracają uwagę zwiększone wartości masy tego związku we wszystkich badanych fragmentach trasy miejskiej (rys. 5.52a), które są dwukrotnie większe od wartości uzyskanych z pomiarów (rys. 5.52b). Największą zgodność wyników masy z pomiarów i z prowadzonej symulacji odnotowano dla dwutlenku węgla (rys. 5.53). Zarówno w przypadku odcinków charakterystycznych, gdzie zgodność wyników była znacząca (z wyjątkiem dojazdu do skrzyżowania), tak samo na całej trasie miejskiej duże podobieństwo osiągniętych rezultatów. Uzyskane wyniki z pomiarów w ruchu drogowym różniły się o około 17% w stosunku do wyznaczonej wartości otrzymanej przy wykorzystaniu oprogramowania Vissim pomiary symulacja % pomiary symulacja Rys Porównanie masy węglowodorów podczas badań symulacyjnych oraz z pomiarów podczas przejazdu przez miasto: a) wartości chwilowe narastająco, b) wartości końcowe uzyskane podczas symulacji i z pomiarów 5 4 pomiary symulacja % Rys Porównanie masy tlenków azotu podczas badań symulacyjnych oraz z pomiarów podczas przejazdu przez miasto: a) wartości chwilowe narastająco, b) wartości końcowe uzyskane podczas symulacji i z pomiarów pomiary symulacja pomiary symulacja % Rys Porównanie masy dwutlenku węgla podczas badań symulacyjnych oraz z pomiarów podczas przejazdu przez miasto: a) wartości chwilowe narastająco, b) wartości końcowe uzyskane podczas symulacji i z pomiarów pomiary symulacja

73 V [km/h] V [km/h] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 73 Wskaźniki emisyjne z badań drogowych W związku z rozbieżnościami w uzyskanych wynikach (symulacji i pomiarów) dokonano analizy ekologicznej wybranych sytuacji drogowych. Informacje te oraz dane uzyskane w poprzednim podrozdziale w połączeniu z wyznaczonymi wartościami emisji drogowej zanieczyszczeń, pozwoliły na implementację w modelu symulacyjnym wskaźników emisji związków szkodliwych spalin wyznaczonych w rzeczywistych warunkach ruchu. Trasę przejazdu podzielono na trzy części, charakterystyczne dla przejazdu przez tę miejscowość: dojazd od punktu początkowego do pierwszego skrzyżowania, przejazd przez trzy skrzyżowania, dojazd od trzeciego skrzyżowania do końcowego punktu pomiarowego. Przeanalizowano więc sytuacje drogowe wynikające ze specyfiki przejazdu przez miasto: dojazd do centrum miasta i wyjazd z centrum miasta scharakteryzowano natężenie emisji zanieczyszczeń jako zależne tylko od prędkości pojazdu, a także przejazd przez skrzyżowania, znajdujące się w centrum miasta. Analiza wskaźników emisyjnych podczas wjazdu do centrum miasta i wyjazdu z centrum, uwidoczniła że prędkość pojazdu zmieniała się od 2 km/h do 3 km na początku odcinka pomiarowego, następnie prędkość zwiększała się do wartości około 7 km/h, po której następowało zatrzymanie pojazdu przed skrzyżowaniem (rys. 5.54). Zwraca uwagę niejednakowe (względem drogi) rozpoczęcie postoju jest to spowodowane różną liczbą pojazdów poprzedzających, oczekujących przed skrzyżowaniem. Wartości masy zanieczyszczeń na rozpatrywanym odcinku były następujące: w odniesieniu do tlenku węgla: wjazd do miasta: m CO = mg (rys. 5.55a), wyjazd z miasta: m CO = 2 26 mg (rys. 5.55b), w odniesieniu do węglowodorów: wjazd do miasta: m HC = mg (rys. 5.56a), wyjazd z miasta: m HC = mg (rys. 5.56b), w odniesieniu do tlenków azotu: wjazd do miasta: m NOx = mg (rys. 5.57a), wyjazd z miasta: m NOx = mg (rys. 5.57b), w odniesieniu do dwutlenku węgla: wjazd do miasta: m CO2 = 75 9 g (rys. 5.58a). wyjazd z miasta: m CO2 = g (rys. 5.58b), Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Prędkość pojazdu podczas: a) wjazdu do centrum miasta, b) wyjazdu z miasta (kierunek północ-południe) Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd

74 CO 2 [g] CO 2 [g] NO x [mg] NO x [mg] HC [mg] HC [mg] CO [mg] CO [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Masa tlenku węgla wyemitowana podczas: a) wjazdu do centrum miasta, b) wyjazdu z miasta Rys Masa węglowodorów wyemitowana podczas: a) wjazdu do centrum miasta, b) wyjazdu z miasta Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd 1-1 Rys Masa tlenków azotu wyemitowana podczas: a) wjazdu do centrum miasta, b) wyjazdu z miasta Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Masa dwutlenku węgla wyemitowana podczas: a) wjazdu do centrum miasta, b) wyjazdu z miasta Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd

75 NO x [mg/s] CO 2 [g/s] CO [mg/s] HC [mg/s] CO, HC, NO x [mg/km], CO 2 [g/km] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 75 Na rysunku 5.59 przedstawiono wartości średnie z wyznaczonych przejazdów. Wartości te posłużyły do wyznaczenia wskaźników emisyjnych jako wartości wejściowych do modelu. Wartościami wejściowymi były wartości emisji drogowej poszczególnych składników szkodliwych wjazd do miasta wyjazd z miasta 17,7 114, ,7 48, 11,9 11,9 12,8 14,4 CO HC NOx CO2 Rys Zestawienie emisji drogowej zanieczyszczeń podczas wjazdu do centrum miasta i wyjazdu z miasta W związku z tym, że wartości emisji drogowej są zbliżone do siebie niezależnie od rozpatrywanej czynności (wjazdu lub wyjazdu z miasta), wyznaczono zależność natężenia emisji zanieczyszczeń podczas ustabilizowanych warunków jazdy (w zależności od stałej prędkości jazdy). W tym celu uszeregowano odcinki przejazdów, które odbywały się przy stałej prędkości jazdy, a dodatkowo przyspieszenie lub opóźnienie nie było większe niż,5 m/s 2. Uzyskane wyniki natężenia emisji zanieczyszczeń dla zakresu prędkości od m/s do 2 m/s ( 72 km/h) pokazano na rys Duże wartości współczynnika R 2 pozwoliły na przyjęcie w dalszych obliczeniach symulacyjnych wartości natężenia emisji wybranych składników zależnych od prędkości jazdy. 2, 1,5 CO = -,58 V 2 +,12 V +,13 R² =,95,75,5 HC = -,18 V 2 +,34 V +,23 R² =,96 1,,5,25, V [m/s], V [m/s],75,5 NO x = -,32 V 2 +,54 V -,16 R² =, CO 2 = -,12 V 2 +,26 V +,26 R² =,96,25 1, V [m/s] V [m/s] Rys Uśrednione wartości natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu i dwutlenku węgla dla wartości prędkości i przyspieszenia z zakresu (,5 m/s 2 ;,5 m/s 2 ) podczas jazdy przez miasto; zakres prędkości od m/s do 2 m/s ( km/h do 72 km/h)

76 NO x [mg] CO 2 [g] CO [mg] HC [mg] V [km/h] t [s] Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 76 Na drodze przejazdu przez miasto jak wcześniej zaznaczono znajdowały się trzy skrzyżowania z sygnalizacją świetlną. Dysponując danymi pomiarowymi wyznaczono profil prędkości przejazdu przez te skrzyżowania (rys. 5.61a), z podziałem na czas postoju i czas jazdy dla każdego z wykonanego przejazdu (oznaczonego symbolem 1-1 do 1-5 na rys. 5.61b). Całkowity czas przejazdu przez skrzyżowanie zawierał się w granicach od 237 s (przejazd 1-4) do 383 s (przejazd 1-1). Natomiast czas postoju wynosił od 9% (przejazd 1-3) do 23% (przejazd 1-5) całego czasu przejazdu przez trzy skrzyżowania (znajdowały się one na odcinku około 14 m). Wielkości te oraz dane o natężeniu emisji poszczególnych składników szkodliwych posłużyły do wyznaczenia masy zanieczyszczeń dla każdego z przejazdów (rys. 5.62). Duże różnice w sumarycznej masie tego samego składnika zanieczyszczenia wynikają głównie z różnych profili prędkości, a także znacznych różnic w czasie przejazdu Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Charakterystyka podczas przejazdu przez skrzyżowania: a) prędkość pojazdu, b) udział postoju w całkowitym czasie przejazdu c) d) Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Masa zanieczyszczeń wyemitowana podczas przejazdu przez skrzyżowania (w dużej mierze był to postój): a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) tlenków azotu, d) dwutlenku węgla % 35% czas i udział postoju czas jazdy czas przejazdu przez skrzyżowania 9% 15% 23% Numer przejazdu Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd

77 CO, HC, NO x [mg/km], CO 2 [g/km] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 77 Z analizy wartości skumulowanej masy zanieczyszczeń podczas przejazdu przez skrzyżowania oraz jazdy bez zatrzymywania (podczas wjazdu i wyjazdu z miejscowości), wynika że dla każdego zanieczyszczenia w przypadku pierwszej wymienionej sytuacji drogowej są to wartości większe, a mianowicie (rys. 5.63): emisja drogowa tlenku węgla jest ponad 2-krotnie większa, emisja drogowa węglowodorów jest większa o ponad 25%, emisja drogowa tlenków azotu jest ponad 2-krotnie większa, emisja drogowa dwutlenku węgla jest większa o około 15% wjazd do miasta przejazd przez skrzyżowania wyjazd z miasta 258, ,4 47,7 48, 25,4 27,5 11,9 11,9 12,8 14,4 17,7 114,9 CO HC NOx CO2 Rys Zestawienie emisji drogowej zanieczyszczeń z pojazdu podczas dojazdu do centrum miasta, przejazdu przez skrzyżowania oraz wyjazdu z miasta Dane z powyższych analiz wykorzystano podczas etapu symulacji, w którym emisyjne wskaźniki standardowe w oprogramowaniu Vissim zastąpiono wskaźnikami emisyjnymi wyznaczonymi z badań drogowych. Przeprowadzona symulacja ruchu pojazdów i uzyskane dane masy zanieczyszczeń emitowanych podczas przejazdu przez miasto porównano tylko do wyników uzyskanych podczas przejazdu północ-południe. Wyniki porównawcze uzyskano z następujących danych: masę tlenku węgla wyznaczono na podstawie iloczynu natężenia emisji tlenku węgla (rys. 5.31a) i przebytej drogi przez pojazd (rys. 5.29a); do dalszych obliczeń przyjęto wartość 73 mg, masę węglowodorów wyznaczono na podstawie iloczynu natężenia emisji węglowodorów (rys. 5.32a) i przebytej drogi przez pojazd (rys. 5.29a); do dalszych obliczeń przyjęto wartość 179 mg, masę tlenków azotu wyznaczono na podstawie iloczynu natężenia emisji tlenków azotu (rys. 5.33a) i przebytej drogi przez pojazd (rys. 5.29a); do dalszych obliczeń przyjęto wartość 22 mg, masę dwutlenku węgla wyznaczono na podstawie iloczynu natężenia emisji dwutlenku węgla (rys. 5.34a) i przebytej drogi przez pojazd (rys. 5.29a); do dalszych obliczeń przyjęto wartość 1689 g. Porównanie wyników symulacji otrzymanych z wykorzystaniem wskaźników emisyjnych z badań drogowych i wyników pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu (rys. 5.64) potwierdziło dużą zgodność wyników (błąd względny nie przekracza 12%). Wyznaczona masa poszczególnych związków szkodliwych podczas badań symulacyjnych miała następujące wartości (w nawiasie podano błąd względny wyznaczony w stosunku do wartości wyznaczonych z pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu):

78 CO, HC, NO x [mg], CO 2 [g] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 78 w odniesieniu do tlenku węgla: standardowe wskaźniki emisyjne: m CO = 171 mg (błąd względny 133%), drogowe wskaźniki emisyjne: m CO = 82 mg (błąd względny 1%), w odniesieniu do węglowodorów: standardowe wskaźniki emisyjne: m HC = 21 mg (błąd względny 17%), drogowe wskaźniki emisyjne: m HC = 21 mg (błąd względny 12%), w odniesieniu do tlenków azotu: standardowe wskaźniki emisyjne: m NOx = 47 mg (błąd względny 11%), drogowe wskaźniki emisyjne: m NOx = 226 mg (błąd względny 12%), w odniesieniu do dwutlenku węgla: standardowe wskaźniki emisyjne: m CO2 = 1987 mg (błąd względny 17%), drogowe wskaźniki emisyjne: m CO2 = 179 mg (błąd względny 6%) średnia z pomiarów symulacja - standardowe wskaźniki emisyjne symulacja - wskaźniki emisyjne z badań drogowych CO HC NOx CO2 Rys Porównanie uśrednionych wartości masy zanieczyszczeń (przejazd przez miasto) z pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu oraz z symulacji z wykorzystaniem standardowych wskaźników emisyjnych oraz wskaźników emisyjnych wyznaczonych z badań drogowych Na rysunkach zaprezentowano wizualizacje symulacji podczas przejazdu przez miasto dla następujących przypadków: dojazdu do miasta (rys. 5.65), przejazdu przez skrzyżowania w centrum miasta (rys. 5.66) oraz wyjazdu z miasta (rys. 5.67). Rys Wizualizacja symulacji prowadzona w programie PTV Vissim dojazd do miasta

79 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 79 Rys Wizualizacja symulacji prowadzona w programie PTV Vissim przejazd przez skrzyżowanie w centrum miejscowości Rys Wizualizacja symulacji prowadzona w programie PTV Vissim wyjazd z miasta Podobną procedurę powtórzono do określenia masy poszczególnych zanieczyszczeń podczas przejazdu pojedynczego pojazdu obwodnicą. Uzyskane wyniki końcowe masy poszczególnych zanieczyszczeń posłużą do oszacowania całkowitej emisji zanieczyszczeń dla różnych wartości natężenia ruchu podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą Symulacje emisji zanieczyszczeń podczas przejazdu obwodnicą miejską Na potrzeby symulacji przejazdu obwodnicą pojedynczym pojazdem stworzono model trasy (rys. 5.68), składający się z charakterystycznych odcinków znajdujących się na drodze przejazdu. Były to: rondo na początku obwodnicy, przejazd drogą z jednym pasem i dwoma pasami ruchu, rozszerzenie z jednego pasa na dwa pasy, zwężenie z dwóch pasów na jeden oraz rondo na przeciwległym końcu obwodnicy. Etapem początkowym był wybór modelowanych odcinków, po czym stworzono geometrię modelu na podstawie zdjęcia satelitarnego z Google Maps (rys ). Końcowym etapem była parametryzacja modelowanych fragmentów infrastruktury drogowej.

80 A2 Żyrardów Żyrardów 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 8 Sochaczew Mszczonów Rys Schemat symulowanej trasy przejazdu obwodnicą miejską: 1 punkt początkowy symulacji, 2 punkt końcowy symulacji Rys Rondo na początku obwodnicy: a) zdjęcie satelitarne, b) model Rys Droga z jednym pasem i dwoma pasami ruchu: a) zdjęcie satelitarne, b) model Rys Rozszerzenie z jednego pasa ruchu na dwa pasy: a) zdjęcie satelitarne, b) model

81 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 81 Rys Zwężenie z dwóch pasów ruchu na jeden: a) zdjęcie satelitarne, b) model Rys Rondo na końcu obwodnicy: a) zdjęcie satelitarne, b) model Standardowe wskaźniki emisyjne Tok postępowania przyjęto podobny do tego, który wykorzystano podczas symulacji przeprowadzonej dla przejazdu przez miasto, a uwarunkowania ruchu (m.in. jego natężenie) przyjęto, takie jakie obowiązywały podczas poprzednio opisanych badań, wykonywanych podczas rzeczywistego ruchu drogowego. Parametry symulacji były zgodne z poprzednio wymienionymi. Dla przyjętych parametrów pojazdu i ruchu dokonano symulacji emisji związków szkodliwych, której wyniki porównano z wartościami uzyskanymi z rzeczywistego przejazdu (rys ). Podstawą tożsamego przejazdu rzeczywistego i symulacji była zgodność długości trasy i czasu przejazdu. Porównanie masy wyemitowanego tlenku węgla w poszczególnych odcinkach charakterystycznych obwodnicy (rys. 5.74a), tj.: wjazdu na rondo, przejazd drogą z dwoma pasami, zwężeniem z dwóch pasów na jeden, jazda jednym pasem, rozszerzenie z jednego pasa na dwa pasy oraz wyjazd z ronda, uwidaczniają, że wartości uzyskane podczas symulacji są znacznie większe niż wartości otrzymane z pomiarów. Zsumowanie masy ze wszystkich odcinków (rys. 5.74b) i porównanie z wynikiem z pomiarów uwidacznia znaczne różnice, szczególnie gdy porówna się je z wynikami kolejnych przejazdów (rys. 5.74c). Różnica ta w stosunku do wartości średniej z przejazdów wynosi 53% (rys. 5.74d), co świadczy o znacznym zawyżaniu wyników symulacji w stosunku do wartości rzeczywistej.. Odmienny charakter wyników uzyskano w odniesieniu do porównania masy wyemitowanych węglowodorów (rys. 5.75) podczas przejazdu obwodnicą. Dla charakterystycznych odcinków obwodnicy uzyskano niejednoznaczne wyniki symulacji (nie wszystkie były większe w stosunku do pomiarów, jak w poprzednim przypadku), a wynik końcowy nie przekroczył wartości uzyskanej podczas badań wynosił około 97% wartości średniej. Należy jednak zauważyć, że największy na to wpływ miał końcowy fragment symulacji wyjazd z ronda.

82 HC [mg] HC [mg] HC [mg] HC [mg] CO [mg] CO [mg] 2382 CO [mg] CO [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Rondo wjazd symulacja pomiary 2 pasy Zwężenie 2 na 1 1 pas Poszerzenie 1 na 2 Rondo wyjazd c) d) symulacja Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd 1-1 S symulacja pomiary (53%) Rys Porównanie masy tlenku węgla podczas badań symulacyjnych oraz z pomiarów: a) poszczególne sytuacje drogowe, b) wartości uśrednione z badań, c) pomiary z badań, d) wartości końcowe uzyskane z pomiarów i podczas symulacji Rondo wjazd symulacja badania 2 pasy Zwężenie 2 na 1 1 pas Poszerzenie 1 na 2 Rondo wyjazd c) d) symulacja Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd S Rys Porównanie masy węglowodorów podczas badań symulacyjnych oraz z pomiarów: a) poszczególne sytuacje drogowe, b) wartości uśrednione z badań, c) wszystkie pomiary z badań, d) wartości końcowe uzyskane z pomiarów i podczas symulacji symulacja symulacja badania (97%) symulacja

83 NO x [mg] NO x [mg] 122 NO x [mg] NO x [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 83 Porównanie wartości masy tlenków azotu wyznaczonej z badań oraz podczas prowadzonej symulacji uwidacznia podobnie jak w przypadku tlenku węgla niezgodność uzyskanych wartości (rys. 5.76). Zwracają uwagę zwiększone wartości masy tego związku we wszystkich badanych odcinkach charakterystycznych obwodnicy (rys. 5.76a), które są kilkakrotnie większe od wartości uzyskanych z pomiarów. Wszystkie przejazdy (badania rzeczywiste) cechowały się mniejszymi wartościami wyemitowanej masy tlenków azotu (rys. 5.76c). Suma wartości cząstkowych masy z poszczególnych odcinków charakterystycznych to około 42% średniej wartości masy uzyskanej z przejazdów podczas badań (rys. 5.76b) symulacja badania Rondo wjazd 2 pasy Zwężenie 2 na 1 1 pas Poszerzenie 1 na 2 Rondo wyjazd c) d) symulacja Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd S Rys Porównanie masy tlenków azotu podczas badań symulacyjnych oraz z pomiarów: a) poszczególne sytuacje drogowe, b) wartości uśrednione z badań, c) wszystkie pomiary z badań, d) wartości końcowe uzyskane z pomiarów i podczas symulacji Największą zgodność wyników masy z pomiarów i z prowadzonej symulacji odnotowano dla dwutlenku węgla (rys. 5.77). Zarówno w przypadku odcinków charakterystycznych, gdzie zgodność wyników była znacząca (rys. 5.77a), tak samo na całej trasie obwodnicy duże podobieństwo osiągniętych rezultatów. Poszczególne przejazdy, a także wartości średnie z przejazdów odbiegały tylko o około 6% w stosunku do wyznaczonej wartości otrzymanej przy wykorzystaniu oprogramowania Vissim. Tak duża zgodność wyników jest uwarunkowana przede wszystkim tym, że stężenie dwutlenku węgla w spalinach silnika ZI jest prawie stałe (zmienia się tylko krótkookresowo podczas dynamicznych zmian parametrów jazdy pojazdem), a zatem natężenie emisji tego związku zależy jedynie od prędkości pojazdu (prędkości obrotowej silnika i przełożenia skrzyni biegów) i objętości skokowej silnika. Jednakże jest to wielkość tożsama ze zużyciem paliwa, które nie zmienia się w dość dużych granicach a zależy od m.in. wielkości silnika i masy pojazdu. Przyjęcie uśrednionych wartości tych wskaźników (zarówno emisji drogowej dwutlenku węgla i przebiegowego zużycia paliwa) dla danej klasy po badania symulacja (422%) symulacja

84 CO 2 [g] CO 2 [g] CO 2 [g] CO 2 [g] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 84 jazdu było w oprogramowaniu symulacyjnym bardzo zbliżone do wartości rzeczywistych, stąd podobieństwo uzyskanych rezultatów Rondo wjazd 2 pasy Zwężenie 2 na 1 pomiary symulacja 1 pas Poszerzenie 1 na 2 Rondo wyjazd c) d) symulacja Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd Rys Porównanie masy dwutlenku węgla podczas badań symulacyjnych oraz z pomiarów: a) poszczególne sytuacje drogowe, b) wartości uśrednione z badań, c) wszystkie pomiary z badań, d) wartości końcowe uzyskane z pomiarów i podczas symulacji Wskaźniki emisyjne z badań drogowych S symulacja badania (wartości średnie) W związku z dużymi rozbieżnościami w uzyskanych wynikach (symulacji i pomiarów) dokonano analizy ekologicznej najważniejszych sytuacji drogowych. Metodyka prac była tożsama z informacjami zawartymi w poprzednim podrozdziale. W związku z tym, w obrębie opisywanej obwodnicy, przeanalizowano sytuacje, wynikające ze specyfiki obwodnicy. Wśród nich znalazły się te same elementy, które wchodziły do opisywanych odcinków charakterystycznych: wjazd oraz wyjazd z obwodnicy, przejazd przez rondo (występowało na początku i końcu trasy) oraz typowe sytuacje z punktu widzenia kierowcy, czyli m.in. jazda ze stałą prędkością. Charakterystyki przejazdów w omawianych sytuacjach, przeanalizowano, zakładając że każdy rozpatrywany etap jazdy obwodnicą (mierzony odległością) nie był krótszy niż 1 m. Analiza wskaźników emisyjnych podczas wjazdu na obwodnicę i wyjazdu z obwodnicy, uwidoczniła że prędkość pojazdu zmieniała się od 6 8 km/h przed wjazdem na obwodnicę, następnie prędkość malała do wartości około 2 km/h (jeżeli nie było zatrzymania) a następnie zwiększała się do wartości 6 9 km/h (rys. 5.78). Wjazd na obwodnicę i wyjazd z niej był przez skrzyżowanie z ruchem okrężnym. Wartości masy zanieczyszczeń na rozpatrywanym odcinku były następujące: w odniesieniu do tlenku węgla: wjazd na obwodnicę: m CO = 25 6 mg (rys. 5.79a), wyjazd z obwodnicy: m CO = 2 5 mg (rys. 5.79b), (16%) symulacja

85 HC [mg] HC [mg] CO [mg] CO [mg] V [km/h] V [km/h] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 85 w odniesieniu do węglowodorów: wjazd na obwodnicę: m HC = mg (rys. 5.8a), wyjazd z obwodnicy: m HC = 1 15 mg (rys. 5.8b), w odniesieniu do tlenków azotu: wjazd na obwodnicę: m NOx = 2 62 mg (rys. 5.81a), wyjazd z obwodnicy: m NOx = 2 65 mg (rys. 5.81b), w odniesieniu do dwutlenku węgla: wjazd na obwodnicę: m CO2 = g (rys. 5.82a). wyjazd z obwodnicy: m CO2 = g (rys. 5.82b), Na rysunku 5.83 przedstawiono wartości średnie z wyznaczonych przejazdów. Wartości te posłużyły do wyznaczenia wskaźników emisyjnych jako wartości wejściowe do modelu. Podobnie postąpiono w pozostałych przypadkach odcinkach charakterystycznych, które wymieniono poprzednio Wjazd 1-5 Wjazd 1-4 Wjazd 1-3 Wjazd 1-2 Wjazd Rys Prędkość pojazdu podczas: a) wjazdu na obwodnicę, b) wyjazdu z obwodnicy Wjazd 1-5 Wjazd 1-4 Wjazd 1-3 Wjazd 1-2 Wjazd Rys Masa tlenku węgla wyemitowana podczas: a) wjazdu na obwodnicę, b) wyjazdu z obwodnicy Wjazd 1-5 Wjazd 1-4 Wjazd 1-3 Wjazd 1-2 Wjazd Wyjazd 2-5 Wyjazd 2-4 Wyjazd 2-3 Wyjazd 2-2 Wyjazd Wyjazd 2-5 Wyjazd 2-4 Wyjazd 2-3 Wyjazd 2-2 Wyjazd Wyjazd 2-5 Wyjazd 2-4 Wyjazd 2-3 Wyjazd 2-2 Wyjazd Rys Masa węglowodorów wyemitowana podczas: a) wjazdu na obwodnicę, b) wyjazdu z obwodnicy

86 CO, HC, NO x [mg/km], CO 2 [g/km] CO 2 [g] CO 2 [g] NO x [mg] NO x [mg] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Wjazd 1-5 Wjazd 1-4 Wjazd 1-3 Wjazd 1-2 Wjazd Rys Masa tlenków azotu wyemitowana podczas: a) wjazdu na obwodnicę, b) wyjazdu z obwodnicy Wyjazd 2-5 Wyjazd 2-4 Wyjazd 2-3 Wyjazd 2-2 Wyjazd Wjazd 1-5 Wjazd 1-4 Wjazd 1-3 Wjazd 1-2 Wjazd Wyjazd 2-5 Wyjazd 2-4 Wyjazd 2-3 Wyjazd 2-2 Wyjazd Rys Masa dwutlenku węgla wyemitowana podczas: a) wjazdu na obwodnicę, b) wyjazdu z obwodnicy wjazd na obwodnicę wyjazd z obwodnicy 38, 34,5 22,4 12,7 36,8 42,4 29,2 129,9 1 CO HC NOx CO2 Rys Zestawienie emisji drogowej zanieczyszczeń podczas wjazdu na obwodnicę oraz wyjazdu z obwodnicy Proces wjazdu na obwodnicę i wyjazdu z niej jak wcześniej zaznaczono przebiegał przez skrzyżowanie z ruchem okrężnym. Mając dane pomiarowe (w postaci emisji drogowej zanieczyszczeń) wyznaczono, jaki udział w tej emisji ma dojazd do tego skrzyżowania i wyjazd z niego. Wielkości te porównano z sytuacją jazdy ze stałą prędkością; wynikiem tego porównania było ocena zwiększenia emisji zanieczyszczeń przez samo skrzyżowanie z ruchem okrężnym. W tym miejscu nie było to negowanie takiego rozwiązanie (jego zastosowania), gdyż jest ono efektywniejsze np. pod względem płynności ruchu niż np. skrzyżowanie równorzędne. Z analizy wartości emisji drogowej zanieczyszczeń podczas przejazdu przez skrzyżowanie z ruchem okrężnym i jazdy ze stałą prędkością, wynika że dla każdego zanieczyszczenia są te wartości większe w przypadku pierwszej wymienionej sytuacji drogowej, a mianowicie (rys. 5.84):

87 CO, HC, NO x [mg/km], CO 2 [g/km] 85% 52% 15% 41% 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 87 emisja drogowa tlenku węgla jest większa o około 52%, emisja drogowa węglowodorów jest większa o ponad 85%, emisja drogowa tlenków azotu jest większa ponad 1-krotnie, emisja drogowa dwutlenku węgla jest większa o ponad 4%. Porównując dojazd i wyjazd ze skrzyżowania z ruchem okrężnym stwierdzono, że większa emisja drogowa (na tym samym odcinku około 5 m) występuje na wyjeździe z takiego skrzyżowania: tlenku węgla ponad 5-krotnie, węglowodorów około 3- -krotnie, tlenków azotu ponad 2-krotnie oraz dwutlenku węgla około 5-krotnie (rys. 5.84) ,7 Rondo - wyjazd Rondo - dojazd Stała prędkość (1:5) - emisja podczas dojazdu i wyjazdu z ronda (1:5) (1:3) 2 28,8 7,2 4,2 14,4 22,1 1,1 5,8 23,6 CO HC NO x CO 2 Rys Zestawienie emisji drogowej z pojazdu podczas dojazdu do ronda, wyjazdu z ronda i jazdy ze stalą prędkością Kolejnym rozpatrywanym zagadnieniem było wyznaczenie zależności natężenia emisji zanieczyszczeń podczas ustabilizowanych warunków jazdy głównie podczas stałej prędkości jazdy. Do tego celu uszeregowano odcinki przejazdów, które odbywały się przy stałej prędkości jazdy, a dodatkowo przyspieszenie lub opóźnienie nie było większe niż,5 m/s 2. Uzyskane wyniki natężenia emisji zanieczyszczeń dla zakresu prędkości od 1 m/s do 36 m/s (36 13 km/h) pokazano na rys Duże wartości współczynnika R 2 pozwoliły na przyjęcie w dalszych obliczeniach symulacyjnych wartości natężenia emisji wybranych składników zależnych od prędkości jazdy. Przeprowadzona symulacja ruchu pojazdów i uzyskane dane masy zanieczyszczeń emitowanych podczas przejazdu obwodnicą zostały porównane tylko do wyników uzyskanych podczas przejazdu północ-południe. Powodem tego było, tak jak w poprzednim postępowaniu, prowadzenie symulacji również tylko w jednym kierunku. Wyniki porównawcze uzyskano z następujących danych: masę tlenku węgla wyznaczono na podstawie iloczynu natężenia emisji tlenku węgla (rys. 5.31b) i przebytej drogi przez pojazd (rys. 5.29b) 45 mg, masę węglowodorów wyznaczono na podstawie iloczynu natężenia emisji węglowodorów (rys. 5.32b) i przebytej drogi przez pojazd (rys. 5.29b) 171 mg, masę tlenków azotu wyznaczono na podstawie iloczynu natężenia emisji tlenków azotu (rys. 5.33b) i przebytej drogi przez pojazd (rys. 5.29b) 242 mg, masę dwutlenku węgla wyznaczono na podstawie iloczynu natężenia emisji dwutlenku węgla (rys. 5.34b) i przebytej drogi przez pojazd (rys. 5.29b) 1755 g. (1:2) 44,6 (1:5) 128,2 17,6

88 NO x [mg/s] CO 2 [g/s] CO [mg/s] HC [mg/s] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów CO =,36 V 2 -,32 V +,98 R² =,92,75,5,25 HC =,27 V 2 -,2 V +,24 R² =, V [m/s] c) d) NO x =,32 V 2 -,41 V + 1,6 R² =,81, V [m/s] CO 2 =,13 V 2 -,18 V + 1,9 R² =, V [m/s] Rys Uśrednione wartości natężenia emisji zanieczyszczeń dla wartości prędkości i przyspieszenia z zakresu (,5 m/s 2 ;,5 m/s 2 ) podczas jazdy obwodnicą: a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) tlenków azotu, d) dwutlenku węgla Porównanie wyników symulacji otrzymanych z wykorzystaniem wskaźników emisyjnych z badań drogowych i wyników pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu (rys. 5.86) potwierdziło dużą zgodność wyników (błąd względny nie przekracza 7%). Tak duża zgodność wyników jest jednak w każdym przypadku zawyżona, co sugeruje że nie wszystkie uwarunkowania w oprogramowaniu symulacyjnym zostały uwzględnione w sposób wystarczający. Wyznaczona masa poszczególnych związków szkodliwych podczas badań symulacyjnych miała następujące wartości (w nawiasie podano błąd względny wyznaczony w stosunku do wartości wyznaczonych z pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu): w odniesieniu do tlenku węgla: standardowe wskaźniki emisyjne: m CO = 2382 mg (błąd względny 429%), drogowe wskaźniki emisyjne: m CO = 467 mg (błąd względny 3,8%), w odniesieniu do węglowodorów: standardowe wskaźniki emisyjne: m HC = 166 mg (błąd względny 2,9%), drogowe wskaźniki emisyjne: m HC = 182 mg (błąd względny 6,4%), w odniesieniu do tlenków azotu: standardowe wskaźniki emisyjne: m NOx = 242 mg (błąd względny 5,5%), drogowe wskaźniki emisyjne: m NOx = 264 mg (błąd względny 3,9%), w odniesieniu do dwutlenku węgla: standardowe wskaźniki emisyjne: m CO2 = 1852 mg (błąd względny 323%), drogowe wskaźniki emisyjne: m CO2 = 1824 mg (błąd względny 9,1%) V [m/s]

89 CO, HC, NO x [mg], CO 2 [g] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów średnia z pomiarów symulacja - standardowe wskaźniki emisyjne symulacja - wskaźniki emisyjne z badań drogowych CO HC NOx CO2 Rys Porównanie uśrednionych wartości masy zanieczyszczeń z pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu oraz z symulacji z wykorzystaniem standardowych i wskaźników emisyjnych oraz wskaźników emisyjnych wyznaczonych z badań drogowych (przejazd obwodnicą) Na rysunkach 5.87 i 5.88 zaprezentowano wizualizację symulacji prowadzonej w programie PTV Vissim dla charakterystycznych miejsc podczas przejazdu obwodnicą: zmiany pasów na oraz przejazdu przez skrzyżowanie z ruchem okrężnym. Rys Wizualizacja symulacji prowadzona w programie PTV Vissim zmiana liczby pasów ruchu w jednym kierunku Rys Wizualizacja symulacji prowadzona w programie PTV Vissim przejazd przez skrzyżowanie z ruchem okrężnym

90 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Porównanie wyników symulacji przejazdu przez miasto i obwodnicą Z danych [31] wynika, że średnie dobowe natężenie ruchu obwodnicą Żyrardowa wynosi pojazdów (najmniejsza wartość natężenia ruchu na rys. 5.89), w tym 28 szt. motocykli, 7334 szt. samochodów osobowych, 1422 szt. samochodów dostawczych, 7482 szt. samochodów ciężarowych oraz 37 autobusów. Jeżeli przyjęto (w rozdziale 2, rys. 2.4), że średnio 12% samochodów osobowych spełnia normę emisji Euro 4 (tożsamą z obiektem badawczym) oraz, że 45% silników samochodów osobowych jest napędzanych benzyną (rozdz. 2, rys. 2.2), to liczba takich pojazdów (zgodnych z Euro 4, zasilanych silnikiem ZI) przejeżdżających tą obwodnicą wynosi 46. Taką również wartość przyjęto dla liczby pojazdów przejeżdżających przez miasto przed wybudowaniem obwodnicy. Symulacji dokonano dla trzech przypadków: natężenia ruchu pojazdów równego natężeniu, przy którym wykonywano badania w rzeczywistych warunkach ruchu wartości te odpowiadają średniemu (dobowemu) natężeniu ruchu w mieście i na obwodnicy (w godzinach 8 14), dla natężenia ruchu pojazdów mniejszego o 5% od natężenia, przy którym wykonywano badania odpowiada wartościom nocnego lub porannego natężenia ruchu (w godzinach 2 8), dla natężenia ruchu pojazdów większego o 5% od natężenia przy którym wykonywano badania odpowiada to natężeniu ruchu podczas znacznego nasilenia komunikacyjnego (godziny 14 2). Rys Fragment mapy drogowej pomiaru ruchu w roku 215 [32] W tym podrozdziale porównano przejazd przez miasto i obwodnicą tylko pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4. Jest to kategoria emisyjna, dla przedziału wiekowego pojazdów z lat 24 29, których w ostatnich latach najwięcej jest rejestrowanych w Polsce. Przy wycofywaniu starszych pojazdów z rynku, a mniejszej rejestracji pojazdów nowszych, udział zaproponowanej grupy pojazdów (Euro 4) w ogólnej populacji samochodów osobowych będzie się zwiększał. Autor ma świadomość, że uzyskane dane są jedynie cząstkowe, ale celem takiego porównania było oszacowanie wartości względnej korzystnego oddziaływania na środowisko obwodnicy miejskiej.

91 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 91 Podczas zestawienia emisji zanieczyszczeń dla konkretnego typu pojazdu wykorzystano dane, uzyskane podczas symulacji (dla wskaźników emisyjnych pozyskanych z badań drogowych) dla trzech przypadków przejazdów przez miasto (dla porównania wyniki pomniejszono o wartości symulowanego również ruchu lokalnego): 1) dla natężenia ruchu pojazdów mniejszego o 5% od natężenia przy którym wykonywano badania (wynoszącego 8151 pojazdów/dobę): masa tlenku węgla 632 mg, masa węglowodorów 175 mg, masa tlenków azotu 111 mg, masa dwutlenku węgla 1599 g, 2) dla natężenia ruchu pojazdów równego natężeniu przy którym wykonywano badania (wynoszącego pojazdów/dobę); wartości te są zgodne z prezentowanymi na rys. 5.64: masa tlenku węgla 82 mg, masa węglowodorów 21 mg, masa tlenków azotu 226 mg, masa dwutlenku węgla 179 g, 3) dla natężenia ruchu pojazdów większego o 5% od natężenia przy którym wykonywano badania (wynoszącego pojazdów/dobę): masa tlenku węgla 135 mg, masa węglowodorów 46 mg, masa tlenków azotu 31 mg, masa dwutlenku węgla 2329 g. Podczas zestawienia emisji zanieczyszczeń dla konkretnego typu pojazdu wykorzystano dane, uzyskane podczas symulacji (dla wskaźników emisyjnych pozyskanych z badań drogowych) dla trzech przypadków przejazdów obwodnicą: 1) dla natężenia ruchu pojazdów mniejszego o 5% od natężenia przy którym wykonywano badania (wynoszącego 8151 pojazdów/dobę): masa tlenku węgla 464 mg, masa węglowodorów 162 mg, masa tlenków azotu 234 mg, masa dwutlenku węgla 179 g, 2) dla natężenia ruchu pojazdów równego natężeniu, przy którym wykonywano badania (wynoszącego pojazdów/dobę); wartości te są zgodne z prezentowanymi na rys. 5.86: masa tlenku węgla 467 mg, masa węglowodorów 182 mg, masa tlenków azotu 264 mg, masa dwutlenku węgla 1824 g, 3) dla natężenia ruchu pojazdów większego o 5% od natężenia przy którym wykonywano badania (wynoszącego pojazdów/dobę): masa tlenku węgla 699 mg, masa węglowodorów 261 mg, masa tlenków azotu 35 mg, masa dwutlenku węgla 217 g. Analiza poniższych wykresów (rys. 5.9) uwidacznia, że masa tlenku węgla wyemitowana podczas przejazdu obwodnicą (dla rozpatrywanych pojazdów) jest proporcjonalna do natężenia ruchu pojazdów i dla małego natężenia ruchu jest o 27% mniejsza od przejazdu przez miasto, a dla znacznie większego natężenia jest mniejsza aż o 48%

92 CO 2 [kg/dobę] NO x [g/dobę] HC [g/dobę] CO [g/dobę] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 92 (rys. 5.9a). Również masa węglowodorów jest mniejsza podczas przejazdu obwodnicą w stosunku do przejazdu przez miasto (rys. 5.9b): dla małego natężenia ruchu wartość mniejsza o 7%, dla średniego natężenia ruchu wartość mniejsza o 9%, dla dużego natężenia ruchu wartość mniejsza o 36%. a) pojazdów/h 68 pojazdów/h 12 pojazdów/h przejazd przez miasto przejazd obwodnicą badania drogowe i symulacja symulacja 27% Dane dla obiektu badań: sam. osobowy, ZI, Euro 4 42% 48% Natężenie ruchu pojazdów [szt./dobę] b) pojazdów/h 68 pojazdów/h 12 pojazdów/h przejazd przez miasto przejazd obwodnicą badania drogowe i symulacja symulacja 7% 9% Dane dla obiektu badań: sam. osobowy, ZI, Euro 4 36% Natężenie ruchu pojazdów [szt./dobę] c) pojazdów/h 68 pojazdów/h 12 pojazdów/h przejazd przez miasto przejazd obwodnicą badania drogowe i symulacja symulacja -111% Dane dla obiektu badań: sam. osobowy, ZI, Euro 4-17% -13% d) Natężenie ruchu pojazdów [szt./dobę] 34 pojazdów/h 68 pojazdów/h 12 pojazdów/h przejazd przez miasto przejazd obwodnicą badania drogowe i symulacja symulacja -12% Dane dla obiektu badań: sam. osobowy, ZI, Euro 4-2% 1% Natężenie ruchu pojazdów [szt./dobę] Rys Masa związków szkodliwych wyemitowana podczas przejazdu przez miasto i obwodnicą miejską pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 (o zapłonie iskrowym) dla różnego natężenia ruchu: a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) tlenków azotu, d) dwutlenku węgla

93 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 93 Masa wyemitowanych tlenków azotu podczas przejazdu obwodnicą jest większa o 111% w stosunku do przejazdu przez miasto (dla małego natężenia ruchu) oraz jest większa o 17% i 13%, odpowiednio, dla średniego i dużego natężenia ruchu drogowego (rys. 5.9c). Odmienny (niejednoznaczny) charakter od poprzednich ma przebieg masy dwutlenku węgla: dla małego natężenia ruchu przejazd obwodnicą generuje o 12% większą masę tego związku, a dla średniego i dużego natężenia ruchu, odpowiednio, większą o 2% oraz mniejszą o 1% masę tego związku (rys. 5.9d). Należy zwrócić uwagę, że na zwiększenie masy wszystkich związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto ma wpływ, po pierwsze zwiększenie natężenia ruchu drogowego, a po drugie zwiększenie udziałów stanów dynamicznych pracy silnika częste stany zatrzymania, a także ruszania z miejsca, w których najwięcej generowanych jest zanieczyszczeń. Ustabilizowany i w miarę jednostajny ruch obwodnicą miejską generuje w takich warunkach mniejszą masę tych związków, pomimo większej prędkości jazdy i większego obciążenia silnika Zysk ekologiczny budowania nowej infrastruktury Emisja zanieczyszczeń podczas przejazdu przez miasto po wybudowaniu obwodnicy Dodatkowym elementem analizy wpływu nowej infrastruktury na emisję związków szkodliwych spalin było porównanie przejazdu przez miasto przez wybudowaniem jego obwodnicy i po jej wybudowaniu i oddaniu do użytkowania. Taka analiza miała na celu wskazanie punktów będących odniesieniem do całościowej analizy w kolejnym podrozdziale w zakresie korzyści ekologicznych jakie niosą ze sobą kolejne inwestycje w infrastrukturę pozamiejską, a jednocześnie wykazanie zmniejszenia uciążliwości środowiskowej środków transportu w obecnie istniejącej infrastrukturze. Danych do takiej analizy dostarczyły badania emisji spalin z pojazdu, które wykonano podczas przejazdu przez miasto, przy otwartej do użytkowania obwodnicy. Trasa przejazdu była tożsama z poprzednią przejazd wykonano dwukrotnie: z północy na południe i z południa na północ. Wartości zarejestrowanej prędkości chwilowej pokazano na rys Z przedstawionych danych wynika, że uzyskano większe wartości przejazdu przejazd oznaczony symbolem 3-1 oraz 3-2 (a zatem prędkość średnia była większe niż w poprzednich badaniach rys. 5.92a), a jednocześnie czas postoju na skrzyżowaniu wewnątrz miast był znacznie krótszy. Średnia prędkość przejazdu zwiększyła się o około 3%. W konsekwencji czas przejazdu tej samej odległości uległ skróceniu o około 23% (rys. 5.92b). Porównując dane dotyczące emisji drogowej tlenku węgla podczas wykonanych przejazdów przez miasto przed wybudowaniem obwodnicy i po jej wybudowaniu, można stwierdzić, że wartość ta zmniejszyła się o około 25% (rys. 5.93a). Może to wynikać z wyższej temperatury spalin i sprawniejszego działania reaktora katalitycznego, a także krótszego czasu postoju, w którym dochodzi do chłodzącego działania reaktora katalitycznego. Kolejną przyczyną zmniejszenia emisji tlenku węgla może być mniejsza różnorodność warunków pracy układu napędowego (zarówno silnika i skrzyni biegów).

94 V śr [km/h] t [s] V [km/h] V [km/h] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów Przejazd 1-5 Przejazd 1-4 Przejazd 1-3 Przejazd 1-2 Przejazd 1-1 Przejazd t [s] Rys Prędkość przejazdu podczas przejazdu przez miasto po wybudowaniu obwodnicy (przejazdy 3-1 i 3-2) na tle prędkości przejazdu przed wybudowaniem obwodnicy: a) w kierunku północ-południe, b) w kierunku południe-północ Przejazd 2-5 Przejazd 2-4 Przejazd 2-3 Przejazd 2-2 Przejazd 2-1 Przejazd t [s] ,4 przejazd przez miasto - przed wybudowaniem obwodnicy przejazd przez miasto - po wybudowaniu obwodnicy 48,2 33,6 51,3 38,5 49,7 (+3%) Północ-Południe Południe-Północ Średnia przejazd przez miasto - po wybudowaniu obwodnicy przejazd przez miasto - przed wybudowaniem obwodnicy Północ-Południe Południe-Północ Średnia 111 (-23%) Rys Wartości parametrów uzyskane w różnych kierunkach oraz wartość średnia podczas przejazdu przez miasto przed wybudowaniem obwodnicy oraz po wybudowaniu obwodnicy: a) prędkości pojazdu, b) czasu przejazdu Zależności o zbliżonym charakterze uzyskano również dla pomiarów emisji drogowej węglowodorów. Jednakże w tym przypadku zmiany nie były tak charakterystyczne jak dla emisji tlenku węgla odnotowano 3-procentowe (średnie) zmniejszenie tego składnika (rys. 5.93b). Znacznemu zmniejszeniu uległa emisja drogowa tlenków azotu; było za prawdopodobnie wynikiem dwóch czynników: korzystnego znacznie wyższej temperatury reaktora katalitycznego (większej jego sprawności) oraz czynnika niekorzystnego przy większej prędkości pojazdu większego stężenia tego związku przez reaktorem katalitycznym. Wzajemna relacja tych dwóch czynników przy przewadze czynnika pierwszego była efektem zmniejszenia emisji drogowej tlenków azotu o około 26% (rys. 5.93c). Jest to największa korzyść ekologiczna ze wszystkich rozpatrywanych toksycznych składników spalin. Wyznaczona emisja drogowa dwutlenku węgla podczas przejazdu przez miasto przed wybudowaniem obwodnicy i po jej wybudowaniu różniła się o niecałe 4% (rys. 5.93d). Można przyjąć twierdzenie, że niewielkie różnice zużycia paliwa były spowodowane bardzo krótkim dystansem, który wynosił tylko kilkanaście kilometrów.

95 NO x [mg/km] CO 2 [g/km] CO [mg/km] HC [mg/km] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów przejazd przez miasto - przed wybudowaniem obwodnicy przejazd przez miasto - po wybudowaniu obwodnicy 53,4 34,5 58,1 55,7 48,5 41,5 (-25%) Północ-Południe Południe-Północ Średnia c) d) przejazd przez miasto - przed wybudowaniem obwodnicy przejazd przez miasto - po wybudowaniu obwodnicy 14,8 11, 16,4 12,2 15,6 11,6 (-26%) ,1 przejazd przez miasto - przed wybudowaniem obwodnicy przejazd przez miasto - po wybudowaniu obwodnicy 12,8 14,8 14,2 13,9 13,5 (-3%) Północ-Południe Południe-Północ Średnia przejazd przez miasto - przed wybudowaniem obwodnicy przejazd przez miasto - po wybudowaniu obwodnicy 123,6 127,3 125,5 119,5 122,4 121, (-3,6%) Północ-Południe Południe-Północ Średnia Północ-Południe Południe-Północ Średnia Rys Wartości emisji drogowej zanieczyszczeń uzyskane podczas badań w różnych kierunkach oraz wartość średnia podczas przejazdu przez miasto przed wybudowaniem obwodnicy oraz po jej wybudowaniu: a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) tlenków azotu, d) dwutlenku węgla Korzyści ekologiczne wybudowania nowej infrastruktury dla potoku ruchu pojazdów Przedstawiona we wcześniejszym podrozdziale analiza emisji związków szkodliwych spalin dotyczyła jednego pojazdu (obiektu badań). W bieżącym podrozdziale przedstawiono zestawienie sumaryczne korzyści ekologiczne wybudowania nowej infrastruktury, określone dla potoku pojazdów. Jak już wcześniej wspomniano budowa nowej infrastruktury drogowej, poza wymierną korzyścią przeniesienia ruchu poza obszary zabudowane, przyczynia się w głównej mierze do zmniejszenia ilości zanieczyszczeń. Głównym celem tej pracy było określenie ilościowych zależności takiego zmniejszenie, a w efekcie wykazanie korzyści ekologicznych budowania nowej infrastruktury, która w dużej mierze poprawia jakość środowiska miejskiego osób w nim przebywających. Wykorzystując poprzednio uzyskane dane w rozdziale 5.2 oraz informacje o natężeniu ruchu w mieście po wybudowaniu obwodnicy oraz informacje o strukturze pojazdów wykonano symulacje dotyczące emisji zanieczyszczeń całego potoku pojazdów (z uwzględnieniem zróżnicowania pojazdów pod względem rodzaju i klasy emisji) w takich warunkach w ruchu miejskim oraz dla ruchu po obwodnicy. Analiza wykresów na rys uwidacznia, że masa tlenku węgla wyemitowana podczas przejazdu całego potoku pojazdów obwodnicą jest o 47% mniejsza od przejazdu takiego samego potoku pojazdów przez miasto, a dla znacznie większego natężenia jest mniejsza o 34% (rys. 5.94a). Również masa węglowodorów jest mniejsza podczas przejazdu obwodnicą w stosunku do przejazdu przez miasto (rys. 5.94b):

96 CO 2 [kg/dobę] NO x [kg/dobę] HC [kg/dobę] CO [kg/dobę] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 96 a) pojazdów/h 68 pojazdów/h 12 pojazdów/h przejazd przez miasto przejazd obwodnicą badania drogowe i symulacja symulacja Dane dla rzeczywistej struktury potoku pojazdów 45% 34% 2 47% Natężenie ruchu pojazdów [szt./dobę] b) pojazdów/h 68 pojazdów/h 12 pojazdów/h przejazd przez miasto przejazd obwodnicą badania drogowe i symulacja symulacja Dane dla rzeczywistej struktury potoku pojazdów 25% 2% 5 3% Natężenie ruchu pojazdów [szt./dobę] c) pojazdów/h 68 pojazdów/h 12 pojazdów/h przejazd przez miasto przejazd obwodnicą badania drogowe i symulacja symulacja Dane dla rzeczywistej struktury potoku pojazdów -22% 2-19% -24% Natężenie ruchu pojazdów [szt./dobę] d) pojazdów/h 68 pojazdów/h 12 pojazdów/h przejazd przez miasto przejazd obwodnicą badania drogowe i symulacja symulacja 9% Dane dla rzeczywistej struktury potoku pojazdów 11% 12% Natężenie ruchu pojazdów [szt./dobę] Rys Masa związków szkodliwych wyemitowana podczas przejazdu przez miasto i obwodnicą miejską pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 (o zapłonie iskrowym) dla różnego natężenia ruchu: a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) tlenków azotu, d) dwutlenku węgla

97 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 97 dla małego natężenia ruchu wartość mniejsza o 3%, dla średniego natężenia ruchu wartość mniejsza o 25%, dla dużego natężenia ruchu wartość mniejsza o 2%. Masa wyemitowanych tlenków azotu podczas przejazdu obwodnicą całego potoku pojazdów jest większa o 19% w stosunku do przejazdu przez miasto (dla małego natężenia ruchu) oraz jest większa o 24% i 22%, odpowiednio, dla średniego i dużego natężenia ruchu drogowego (rys. 5.94c). Również podobny charakter od poprzednich ma przebieg masy dwutlenku węgla: dla małego natężenia ruchu przejazd przez miasto całego potoku pojazdów generuje o 9% większą masę tego związku, a dla średniego i dużego natężenia ruchu, odpowiednio, większą o 11% oraz większą o 12% masę tego związku (rys. 5.94d). Porównawczo zestawiono także dobową emisję zanieczyszczeń dla potoku pojazdów (zgodnie z podziałem ich struktury zaprezentowanym w podrozdziale 5.2.3) dla trzech przypadków przejazdów przez miasto (wymienionych poprzednio). Podczas symulacji przejazdu przez miasto potoku pojazdów po wybudowaniu obwodnicy uwzględniono również ruch lokalny, który w znacznym stopniu przyczynia się do zanieczyszczenia powietrza w mieście. Należy zauważyć, że poniższego porównania dokonano dla różnego natężenia ruchu pojazdów w pierwszym przypadku (przed wybudowaniem obwodnicy) przyjęto natężenie ruchu równe pojazdów na dobę (dla 1%), natomiast w drugim po otwarciu obwodnicy, natężenie ruchu jest znacznie mniejsze i wynosi ono około 8 pojazdów/dobę z uwzględnieniem ruchu lokalnego na drodze nr 719, przebiegającej w poprzek w stosunku do rozważanej trasy przejazdu przez miasto. Dla takiej sytuacji uzyskano następujące wyniki (rys. 5.95): 1) dla natężenia ruchu potoku pojazdów o wartości 5% natężenia średniego: masa tlenku węgla wyniosła 14,4 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 193 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 93%, masa węglowodorów wyniosła 2,88 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 35,5 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 92%, masa tlenków azotu wyniosła 21,1 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 133 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 84%, masa dwutlenku węgla wyniosła 548 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 85%, 2) dla średniego natężenia ruchu potoku pojazdów: masa tlenku węgla wyniosła 28,8 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 39 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 93%, masa węglowodorów wyniosła 5,76 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 68,2 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 92%, masa tlenków azotu wyniosła 39,4 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 271 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 85%, masa dwutlenku węgla wyniosła 8845 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 88%, 3) dla natężenia ruchu potoku pojazdów o wartości 15% natężenia średniego): masa tlenku węgla wyniosła 47 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 561 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 92%,

98 CO 2 [kg/dobę] NO x [kg/dobę] HC [kg/dobę] CO [kg/dobę] 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 98 a) Miasto bez obwodnicy Miasto z obwodnicą 39-93% % % b) Natężenie ruchu 5% 35,5 14,4 28,8 47, Miasto bez obwodnicy Miasto z obwodnicą -92% Natężenie ruchu 1% 68,2-92% Natężenie ruchu 15% 99,8-91% 2 Natężenie ruchu 5% 2,88 5,76 8,64 Natężenie ruchu 1% Natężenie ruchu 15% c) 5 4 Miasto bez obwodnicy Miasto z obwodnicą 47-86% % d) % Natężenie ruchu 5% ,1 39,4 Miasto bez obwodnicy Miasto z obwodnicą % Natężenie ruchu 5% Natężenie ruchu 1% -88% 57,6 Natężenie ruchu 15% Natężenie ruchu 1% -87% Natężenie ruchu 15% Rys Masa związków szkodliwych wyemitowana podczas przejazdu przez miasto i obwodnicą miejską potoku pojazdów (o znanej strukturze) dla różnego natężenia ruchu: a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) tlenków azotu, d) dwutlenku węgla

99 5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 99 masa węglowodorów wyniosła 8,67 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 99,8 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 91%, masa tlenków azotu wyniosła 57,6 kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy 47 kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 86%, masa dwutlenku węgla wyniosła kg/dobę (przed wybudowaniem obwodnicy kg/dobę) odnotowane zmniejszenie dobowej emisji tego związku o 87%. Podsumowując, należy stwierdzić, że emisja tlenku węgla i węglowodorów po wybudowaniu obwodnicy zmniejszyła się o ponad 9% podczas przejazdu przez miasto, a emisja tlenków azotu i dwutlenku węgla o ponad 85%. Na rysunku 5.96 pokazano zmianę natężenia emisji tlenków azotu dla ruchu miejskiego dla dwóch przypadków: pierwszego przed wybudowaniem obwodnicy, gdy cały ruch kierowany był przez miasto, oraz drugiego po wybudowaniu obwodnicy, gdzie ruch w mieście jest zdeterminowany głównie ruchem drogą 719 (kierunek Grodzisk Skierniewice). Z analizy symulacji widać, że głównym zagrożeniem obecnie jest emisja tlenków azotu spowodowana przez ruch tranzytowy drogą 719. a) b) Rys Wyniki symulacji (wizualizacja poglądowa) emisji tlenków azotu dla całego potoku pojazdów: a) przed otwarciem obwodnicy, b) po otwarciu obwodnicy