The forecast of the pollutant emission from automotive internal combustion engines in Poland by 2030

Transkrypt

1 Article citation info: CŁOPEK Z., WAŚKIEWICZ J. he forecast of the pollutant emission from automotive internal combustion engines in Poland by 23. Combustion Engines. 215, 162(3), ISSN Zdzisław CŁOPEK Jerzy WAŚKIEWICZ PNSS he forecast of the pollutant emission from automotive internal combustion engines in Poland by 23 he forecasting of the pollutant emission from automotive internal combustion engines carried out for the cumulative vehicle category. he forecasting must take account of the changes: multiplicity and intensity of the use of vehicles (average annual passes), traffic character (cities, rural, and motorways and express roads) and traffic model (average speed) and the level of ecological combustion engines due to the pollutant emission. he study presents the forecast of the size of the automotive industry in Poland until 23. On the basis of accepted data set annual emission of major pollutants. It has been found despite the increase in the intensity of the use of a car projected reduction in pollutant emission, especially nitrogen oxides and particulate matter. Key words: internal combustion engines, motor vehicles, pollutant emission, forecasting Prognoza emisji zanieczyszczeń z samochodowych silników spalinowych w Polsce do 23 r. Prognozowanie emisji zanieczyszczeń z silników spalinowych pojazdów samochodowych przeprowadza się dla skumulowanych kategorii pojazdów. Prognozowanie to musi uwzględniać zmiany: liczności i intensywności użytkowania pojazdów (średnich przebiegów rocznych), charakteru (ruch w miastach, poza miastami oraz na autostradach i drogach ekspresowych) i modelu ruchu (prędkości średniej) oraz poziomu ekologicznego silników spalinowych ze względu na emisję zanieczyszczeń. W pracy przedstawiono prognozę tych wielkości dla motoryzacji w Polsce do 23 r. Na podstawie przyjętych danych wyznaczono emisję roczną najważniejszych zanieczyszczeń. Stwierdzono mimo zwiększania się intensywności użytkowania samochodów prognozowane zmniejszenie się emisji zanieczyszczeń, szczególnie tlenków azotu i cząstek stałych. Słowa kluczowe: silniki spalinowe, pojazdy samochodowe, emisja zanieczyszczeń, prognozowanie 1. Wstęp Całkowita emisja zanieczyszczeń z silników spalinowych pojazdów samochodowych jest zależna od czynników ekstensywnych i intensywnych. Czynnikami ekstensywnymi są: liczność i średnie przebiegi roczne pojazdów poszczególnych kategorii [7, 8]. Czynniki intensywne to przede wszystkim struktura pojazdów ze względu na ich: przeznaczenie, umowną wielkość oraz właściwości techniczne, w tym charakterystyki emisji zanieczyszczeń [7, 8]. Oprócz tego do czynników o charakterze intensywnym można zaliczyć sposób użytkowania samochodów, określony przez charakter ruchu: specyfikę ruchu, odpowiednią dla jazdy w miastach, poza miastami oraz na autostradach i drogach ekspresowych, a także przez model ruchu zależny od prędkości średniej samochodu [7, 8, 1, 15]. W pracy rozpatruje się następujące skumulowane kategorie pojazdów samochodowych: samochody osobowe, lekkie samochody ciężarowe (samochody dostawcze) oraz samochody ciężarowe i autobusy. W pracy jest bilansowana emisja zanieczyszczeń z silników spalinowych w stanie nagrzanym do temperatury długotrwałego użytkowania silników. ozpatruje się emisję zanieczyszczeń: tlenku węgla, związków organicznych sprowadzonych do węglowodorów, tlenków azotu sprowadzonych do tlenku azotu oraz cząstek stałych. 2. Prognoza liczności i intensywności użytkowania pojazdów kategorii skumulowanych Prognozę liczności i intensywności użytkowania pojazdów poszczególnych kategorii skumulowanych oszacowano przede wszystkim na podstawie ocen ekspertów, m.in. [1 3, 5, 6, 11, 13,14, 16]. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono w zależności od lat bilansowania dla samochodów poszczególnych kategorii skumulowanych: liczność oraz przebieg roczny. Zakłada się nieznaczne zwiększanie się liczności pojazdów użytkowych, natomiast znaczny samochodów osobowych. Jednocześnie przewiduje się podobny wzrost przebiegu rocznego lekkich pojazdów (samochodów osobowych i lekkich samochodów ciężarowych) oraz znaczny wzrost dla samochodów ciężarowych i autobusów. Prognozy 186

2 te są dokonywane na podstawie oceny trendów badanych wielkości w ostatnich dziesięciu latach oraz porównań dla państw o zróżnicowanym rozwoju gospodarczym.,6, u, u, u,4,3,2 N/1 p [km] ys. 1. Liczność samochodów N w zależności od lat : samochody osobowe, lekkie samochody ciężarowe, samochody ciężarowe i autobusy; pojazdy samochodowe ys. 2. Przebieg roczny samochodów p w zależności od lat : samochody osobowe, lekkie samochody ciężarowe, samochody ciężarowe i autobusy 3. Prognoza charakteru i modelu ruchu pojazdów kategorii skumulowanych Przez charakter ruchu pojazdów rozumie się specyfikę ich ruchu, odpowiednią dla jazdy w miastach, poza miastami oraz na autostradach i drogach ekspresowych. Model ruchu pojazdów może być scharakteryzowany różnymi wielkościami, będącymi zerowymiarowymi charakterystykami procesu prędkości [4, 7, 8, 1, 15]. Najczęściej w modelach emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa przyjmuje się jako charakterystkę zerowymiarową opisującą proces prędkości prędkość średnią [8]. Charakter i model ruchu pojazdów poszczególnych kategorii przyjęto na podstawie opinii ekspertów [1 3, 5, 6, 11, 13,14, 16]. Na rysunkach 3 5 przedstawiono w zależności od lat bilansowania udział długości dróg w miastach, poza miastami oraz na autostradach i drogach ekspresowych dla pojazdów poszczególnych kategorii skumulowanych. u, u, u u, u, u,1 u ys. 3. dział długości dróg w miastach u, poza miastami u oraz na autostradach i drogach ekspresowych u samochodów osobowych w zależności od lat,6,5,4,3,2,1 u ys. 4. dział długości dróg w miastach u, poza miastami u oraz na autostradach i drogach ekspresowych u lekkich samochodów ciężarowych w zależności od lat,7,6,5,4,3,2,1 u ys. 5. dział długości dróg w miastach u, poza miastami u oraz na autostradach i drogach ekspresowych u samochodów ciężarowych Ocenia się, że przede wszystkim będzie się zwiększał udział długości dróg przebywanych na autostradach i drogach ekspresowych głównie kosztem udziału długości dróg poza miastami. Na rysunkach 6 8 jest przedstawiona w zależności od lat bilansowania prędkość średnia w miastach, poza miastami oraz na autostradach i drogach ekspresowych dla pojazdów poszczególnych kategorii skumulowanych. u u u u u u 187

3 v, v, v [km/h] v ys. 6. Prędkość średnia samochodów osobowych w miastach v, poza miastami v oraz na autostradach i drogach ekspresowych v samochodów ciężarowych v, v, v [km/h] v ys. 7. Prędkość średnia samochodów osobowych w miastach v, poza miastami v oraz na autostradach i drogach ekspresowych v samochodów ciężarowych v, v, v [km/h] v ys. 8. Prędkość średnia samochodów osobowych w miastach v, poza miastami v oraz na autostradach i drogach ekspresowych v samochodów ciężarowych Zakłada się, że średnia prędkość samochodów w miastach będzie ulegała zmniejszaniu się przede wszystkim w związku ze zwiększeniem się liczności pojazdów, natomiast poza miastami oraz na autostradach i drogach ekspresowych prędkość średnia pozostanie niezmienna. v v v v v v 4. Modelowanie emisji drogowej zanieczyszczeń z silników spalinowych pojazdów kategorii skumulowanych Charakterystyki emisji zanieczyszczeń w postaci zależności emisji drogowej zanieczyszczeń od prędkości średniej pojazdu wyznaczono z wykorzystaniem baz danych, zawartych w oprogramowaniu firmy INFAS AG [12], oraz modelu późnienia stanu motoryzacji w Polsce w stosunku do stanu motoryzacji w Europie Zachodniej [9]. Model opóźnienia dla lat 22 3 (rysunek 9) wyznaczono ekstrapolując model wyznaczony w [9]. D ys. 9. Model opóźnienia stanu motoryzacji w Polsce w stosunku do Europy Zachodniej w zależności od lat Na rysunkach 1 13 przedstawiono emisję drogową zanieczyszczeń z silników spalinowych samochodów osobowych w zależności od lat bilansowania dla poszczególnych kategorii skumulowanych w warunkach ruchu: w miastach, poza miastami oraz na autostradach i drogach ekspresowych. Przedstawienie charakterystyk emisji drogowej wszystkich substancji nawet dla skumulowanych kategorii pojazdów przekracza możliwości niniejszej publikacji, wybrano zatem tlenki azotu i cząstki stałe dla samochodów osobowych oraz dla samochodów ciężarowych i autobusów, w tych bowiem wypadkach jest najsilniejsza tendencja w zmniejszaniu się emisji drogowej. Podobnie kształtują się również charakterystyki dla lekkich samochodów ciężarowych. b NOx [g/km],3,25,2,15,1, ys. 1. Emisja drogowa tlenków azotu b NOx z silników spalinowych samochodów osobowych w zależności od lat w warunkach ruchu: w miastach, poza miastami, na autostradach i drogach ekspresowych 188

4 ,1,8 5. Emisja roczna zanieczyszczeń z silników spalinowych pojazdów samochodowych b PM [g/km],6,4,2 Na podstawie przyjętych założeń wyznaczono prognozę emisji rocznej zanieczyszczeń z samochodowych silników spalinowych w Polsce do roku 23 z odstępem 5 lat rysunki ys. 11. Emisja drogowa cząstek stałych b PM z silników spalinowych samochodów osobowych w zależności od lat bilansowania w warunkach ruchu: w miastach, poza miastami, na autostradach i drogach ekspresowych b NOx [g/km] ys. 12. Emisja drogowa tlenków azotu b NOx z silników spalinowych samochodów ciężarowych i autobusów w zależności od lat w warunkach ruchu: w miastach, poza miastami, na autostradach i drogach ekspresowych b PM [g/km],2,15,1, ys. 13. Emisja drogowa cząstek stałych b PM z silników spalinowych samochodów ciężarowych i autobusów w zależności od lat bilansowania w warunkach ruchu: w miastach, poza miastami, na autostradach i drogach ekspresowych Dla samochodów osobowych jest znamienna duża wartość emisji drogowej tlenków azotu i cząstek stałych w warunkach ruchu na autostradach i drogach ekspresowych, co jest związane z dużym obciążeniem silników w tych warunkach ruchu pojazdów. en wniosek przeczy obiegowym opiniom o traktowaniu ruchu pojazdów na trasach szybkiego ruchu jako rozwiązania proekologicznego, szczególnie w obszarach centrów wielkich aglomeracji miejskich. E CO [Gg/a] ys. 14. Emisja roczna tlenku węgla E CO z samochodowych silników spalinowych w zależności od lat : samochody osobowe, lekkie samochody ciężarowe, samochody ciężarowe i autobusy; pojazdy samochodowe E C [Gg/a] ys. 15. Emisja roczna węglowodorów E C z samochodowych silników spalinowych w zależności od lat : samochody osobowe, lekkie samochody ciężarowe, samochody ciężarowe i autobusy; pojazdy samochodowe E NOx [Gg/a] ys. 16. Emisja roczna tlenków azotu E NOx z samochodowych silników spalinowych w zależności od lat : samochody osobowe, lekkie samochody ciężarowe, samochody ciężarowe i autobusy; pojazdy samochodowe 189

5 E PM [Gg/a] 3 2,5 2 1,5 1, ys. 17. Emisja roczna cząstek stałych E PM z samochodowych silników spalinowych w zależności od lat : samochody osobowe, lekkie samochody ciężarowe, samochody ciężarowe i autobusy; pojazdy samochodowe Mimo zwiększania się liczności pojazdów samochodowych i ich przebiegów rocznych prognozuje się znaczne zmniejszenie się całkowitej emisji rocznej zanieczyszczeń, szczególnie tlenków azotu i cząstek stałych. Wynika to przede wszystkim ze znacznej poprawy jakości pojazdów eksploatowanych w kolejnych latach bilansowania, a także z faktu, że najbardziej intensywnie są użytkowane samochody nowe, a więc o najlepszych właściwościach ekologicznych ze względu na emisję zanieczyszczeń. Najsilniejszą dynamikę zmniejszania się emisji rocznej zanieczyszczeń stwierdza się w wypadku samochodów ciężarowych i autobusów w okresie lat Dalsze intensywne zmniejszanie się emisji rocznej tlenków azotu i cząstek stałych wydaje się być ograniczone w związku ze znacznymi trudnościami w poprawie właściwości ekologicznych ze względu na emisję zanieczyszczeń dla klasycznych silników o zapłonie samoczynnych zasilanych paliwami ciężkimi. 6. Podsumowanie Prognozowanie emisji zanieczyszczeń z silników spalinowych pojazdów spalinowych jest zadaniem trudnym. Wynika to przede wszystkim z faktu, że emisja zanieczyszczeń z silników spalinowych jest bardzo wrażliwa zarówno na statyczne stany pracy, jak i na występowanie stanów dynamicznych [4, 7, 8], a stany pracy zależą od procesu prędkości pojazdu. Emisja całkowita z pojazdów samochodowych zależy od wielu czynników, m.in. struktury pojazdów ze względu na przeznaczenie, umowna wielkość oraz rozwiązania techniczne, determinujące właściwości ekologiczne ze względu na emisję zanieczyszczeń, liczności i intensywności użytkowania samochodów, specyfiki użytkowania pojazdów oraz modeli ich ruchu [7, 8]. Prognozowanie wielkości, charakteryzujących te czynniki, jest zadaniem trudnym często eksperci potrafią się znacznie różnić w tych sprawach. Dodatkowo wiedza o niektórych z czynników nawet dla chwil obecnych i poprzednich jest w warunkach Polski obciążone dużą niepewnością [5, 6]. Do takich czynników należą przede wszystkim: udziały długości dróg przebywanych w miastach, poza miastami oraz na autostradach i drogach ekspresowych oraz prędkości średniej na tych drogach [5, 6]. Przyjęte prognozy czynników determinujących emisję zanieczyszczeń z samochodowych silników spalinowych są umiarkowane. Mimo to uzyskane wyniki mają jednoznaczną interpretację. Ocenia się, że całkowita emisja roczna zanieczyszczeń będzie się zmniejszać, szczególnie tlenków azotu i cząstek stałych. Fakt ten wynika przede wszystkim z tendencji stosowania do budowy silników spalinowych rozwiązań technicznych, umożliwiających radykalne zmniejszenie emisji tych zanieczyszczeń, ale również z wycofywania z eksploatacji starych samochodów i znacznie większej intensywności użytkowania nowych samochodów. Działania techniczne, mające na celu zmniejszenie emisji tlenków azotu i cząstek stałych, pozwolą osiągnąć w przyszłości znaczące zmniejszenie uciążliwości motoryzacji dla środowiska, gdyż właśnie te zanieczyszczenia stanowią obecnie najpoważniejsze motoryzacyjne zagrożenie ekologiczne. Wyniki pracy potwierdzają tezę, że modelowanie emisji zanieczyszczeń z silników spalinowych jest jedynym sposobem oceny całkowitej emisji zanieczyszczeń ze źródeł motoryzacyjnych [7, 8]. Literatura [1] Balke I., Balke M., Quantitative study of the structure of the vehicle fleet in Poland, including the brand and age of the selected types of vehicles as of the end of 29, (Badanie struktury ilościowej parku samochodowego w Polsce z uwzględnieniem marek i wieku wybranych rodzajów pojazdów według stanu na koniec 29 roku). IS 62/ZBE (In Polish). [2] Burnewicz J., Forecasts of demand for transport in Poland in 22 and 23 base year 21. Appendix 2 to the Strategy for the development of transport, the Ministry of Infrastructure, (Prognozy popytu na transport w Polsce do roku 22 i 23 rok bazowy 21). Ministerstwo Infrastruktury (In Polish). [3] Burnewicz J.: he strategy of transport Progress in Poland until 22 he Forecast to 23), (Strategia rozwoju transportu Polski do 22 roku z perspektywą do 23 roku)). Europejski Kongres Finansowy. Sopot 212. (In Polish). 19

6 [4] Chłopek Z., Biedrzycki J., Wójcik P., Lasocki J.: Investigation of the motion of motor vehicles in Polish conditions. he Archives of Automotive Engineering Archiwum Motoryzacji 213, 6 (2) [5] Chłopek Z., Waśkiewicz J., Experts forecast the demand for energy carriers for vehicle fleet in Poland in 23, (Ekspercka prognoza popytu na nośniki energii przez park samochodowy w Polsce w perspektywie 23 r.). IS 6243/ZBE. Warsaw 211. (In Polish). [6] Chłopek Z., Waśkiewicz J.: Projections of the fuel consumption by the road transport in Poland. Journal of KONES 213 Vol. 2, No [7] Chłopek Z.: he modeling of the global Exhaust emission from road vehicles, (Modelowanie emisji globalnej spalin z silników pojazdów drogowych). Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej 3(34)/ (In Polish). [8] Chłopek Z.: he modeling of the Exhaust emission from internal combustion engines in conditions of traffic exploatation. (Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych). Prace Naukowe. Seria Mechanika z Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa (In Polish). [9] Chłopek Z.: estings of vehicle ecological structure in European nion countries in consideration of emission model adaptation into polish conditions. Journal of KONES Zdzisław Chłopek, DSc., DEng. Professor in the Motor ransport Institute in Warszaw. Prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek profesor w Instytucie ransportu Samochodowego w Warszawie. [1] de aan P., Keller M.: Modelling fuel consumption and pollutant emissions based on real-world driving patterns: the BEFA approach. Int. J. Environment and Pollution, Vol. 22, No. 3, [11] Eurostat: Energy, transport and environment indicators [12] INFAS AG, andbuch für Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs. Version 3.2. Bern 214. [13] Menes M.: Modern trends of automotive technology, (Współczesne kierunki rozwoju techniki samochodowej). ransport Samochodowy nr 4/ (In Polish). [14] Skinner I., Van essen., Smokers., ill N.: owards the decarbonisation of E s transport sector by 25. European Commission Directorate-General Environment. AEA/ED4545/Final eport. Brussels 21. [15] Sturm P.J.: Air Pollutant Emissions in Cities. Air Quality in Cities [16] Waśkiewicz J., adzimirski S., aubert S.: Develop a methodology for forecasting changes in the road transport sector activity - in the context of the law on management of emissions of greenhouse gases and other substances, (Opracowanie metodologii prognozowania zmian aktywności sektora transportu drogowego w kontekście ustawy o systemie zarządzania emisjami gazów cieplarnianych i innych substancji). IS 711/ZBE. Warszawa 211. (In Polish). Jerzy Waśkiewicz, PhD., Eng. Assistant Professor in the Motor ransport Institute in Warszaw. Dr inż. Jerzy Waśkiewicz adiunkt w Instytucie ransportu Samochodowego w Warszawie. 191