Metody oceny energochłonności ruchu pojazdów samochodowych

Transkrypt

1 Agnieszka Merkisz-Guranowska 1 Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Maciej Andrzejewski 2, Hanna Stawecka 3 Instytut Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu Metody oceny energochłonności ruchu pojazdów samochodowych 1. WSTĘP W aspekcie ekologicznych skutków eksploatacji pojazdów silnikowych bardzo duże znaczenie ma emisja substancji toksycznych w spalinach, emitowanych z układów wylotowych środków transportu masowego. Należy tu wymienić przede wszystkim ciężkie pojazdy użytkowe, zwłaszcza te poruszające się po zatłoczonych centrach miast (gdzie w bliskim ich otoczeniu porusza się duża liczba osób), czyli autobusy miejskie, samochody ciężarowe do zastosowań komunalnych i dystrybucyjnych. Mimo negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne, w najbliższych latach pojazdy ciężarowe dalej będą odgrywały kluczową rolę w transporcie osób i ładunków. Obecnie w Polsce i na świecie użytkowanych jest wiele typów takich pojazdów o różnej ładowności, ograniczonej dopuszczalną masą całkowitą. Oprócz walorów ekologicznych ważna jest także ekonomika eksploatacji ww. środków transportu masowego. Dla zwiększenia rentowności firm przewozowych producenci pojazdów stale prowadzą prace nad zwiększeniem sprawności ich układów napędowych, tak by energia chemiczna ze spalanego paliwa była w jak największym stopniu wykorzystana i przeniesiona na koła pojazdów. Ważne z punktu widzenia poruszanych zagadnień są również wszelkie proekologiczne i pro ekonomiczne rozwiązania eksploatacyjne, implementowane w całych systemach transportowych, a nie tylko w pojazdach samochodowych, będących ich elementami. Przykładem systemowych działań, mających na celu zmniejszenie energochłonności ruchu pojazdów transportu masowego oraz emisji szkodliwych składników spalin do atmosfery, będących dobrym uzupełnieniem dla tych stricte konstrukcyjnych i technologicznych, są metody z zakresu inżynierii i organizacji ruchu. Zaliczyć do nich można między innymi zastosowanie nowoczesnych narzędzi monitoringu w postaci telematycznych systemów zarządzania flotą pojazdów. Celem niniejszego opracowania było zaprezentowanie, na podstawie analizy literatury oraz własnych doświadczeń naukowych, metod służących do wyznaczania energochłonności ruchu pojazdów silnikowych. Skupiono się głównie na metodach uwzględniających rzeczywiste warunki ruchu pojazdów samochodowych (badania drogowe, wykorzystanie telematycznego asystenta stylu jazdy kierowcy). 2. BADANIA ENERGOCHŁONNOŚCI RUCHU POJAZDÓW 2.1. Pomiary w warunkach laboratoryjnych Badania lekkich pojazdów użytkowych wykonuje się, podobnie jak pozostałych pojazdów lekkich (czyli o tzw. masie odniesienia nieprzekraczającej 2610 kg), na hamowni podwoziowej (rys. 1a). W praktyce badawczej stosowano początkowo hamownie z silnikami prądu stałego (DC Direct Current), natomiast z czasem tego typu hamownie były wypierane przez nowocześniejsze hamownie z asynchronicznymi silnikami prądu przemiennego (AC Alternating Current) [7]. Rolkowe stanowiska dynamometryczne hamownie podwoziowe stosowane w badaniach pojazdów są przeznaczone do dokładnej symulacji ściśle określonych warunków jazdy pojazdu na drodze: w czasie 1 agnieszka.merkisz-guranowska@put.poznan.pl 2 m.andrzejewski@tabor.com.pl 3 sthania@wp.pl Logistyka 4/

2 badania emisji substancji toksycznych w spalinach oraz przy pomiarze zużycia paliwa przez pojazd (emisji dwutlenku węgla). Zasadą działania rolkowego stanowiska dynamometrycznego jest przeniesienie sił oporów działających na pojazd poruszający się po drodze, na układ, w którym pojazd jest nieruchomy, a koła osi napędzającej poruszają się po obracających się rolkach. W Europie dla pojazdów lekkich obowiązuje obecnie test jezdny NEDC (New European Driving Cycle) [2]. Test ten z założenia oddaje typowe warunki ruchu w Europie i składa się z dwóch części. Część pierwsza UDC (Urban Driving Cycle) reprezentuje warunki jazdy samochodu w ruchu miejskim. Druga część natomiast, oznaczona jako EUDC (Extra Urban Driving Cycle), jest wykonywana bezpośrednio po części pierwszej i uwzględnia bardziej dynamiczny sposób jazdy z większą prędkością do 120 km/h. a) b) Rys. 1. Obiekt badań zamontowany na hamowni podwoziowej (a) i silnikowej (b) Źródło: [9, 10]. Badania zużycia paliwa i emisyjności spalin, w ramach badań homologacyjnych ciężkich pojazdów użytkowych (o masie odniesienia przekraczającej 2610 kg), przeprowadza się w warunkach laboratoryjnych na hamowniach silnikowych na stanowisku jest umieszczony i badany tylko silnik pojazdu (rys. 1b). W przypadku najnowszej europejskiej normy emisji spalin Euro VI, wykonywane są dwa testy badawcze [3]: test emisji substancji szkodliwych i zużycia paliwa w ustalonych warunkach pracy silnika (WHSC World Harmonized Steady-state Cycle) tzw. test statyczny, test emisji substancji szkodliwych i zużycia paliwa w nieustalonych warunkach pracy silnika (WHTC World Harmonized Transient Cycle) tzw. test dynamiczny. Cykle pracy WHSC i WHTC stosowane w testach statycznym i dynamicznym należą do rodzaju tzw. cykli znormalizowanych, tzn. takich, w których zarówno prędkość obrotowa wału korbowego badanego silnika, jak i jego moment obrotowy są obliczane na podstawie znormalizowanych wartości tych parametrów podanych w przepisach Pomiary w warunkach drogowych Główną zaletą stanowiskowych badań zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń w spalinach, wykonywanych w laboratoriach, jest ich powtarzalność w niezmiennych warunkach. Prowadzi się je według ściśle określonego przez ustawodawców schematu cyklu badawczego. W przypadku badań prowadzonych na hamowniach podwoziowych cykle badawcze zawierają pewne wybrane prędkości, z jakimi porusza się samochód w ruchu miejskim i pozamiejskim (np. test NEDC w Europie). Natomiast w przypadku badań prowadzonych na hamowniach silnikowych określone parametry mierzy się w wybranych punktach pracy silnika (np. testy WHSC i WHTC). Dlatego też prowadząc badania np. energochłonności ruchu pojazdów w określonych warunkach laboratoryjnych, nie da się nigdy w pełni odzwierciedlić warunków panujących w trakcie ich rzeczywistej eksploatacji. Jest to tylko pewne przybliżenie, co należy do głównych wad badań stanowiskowych. 656 Logistyka 4/2015

3 Do oceny ekonomiki i ekologii użytkowania pojazdów najbardziej wskazane są zatem badania drogowe (rzeczywiste warunki ruchu), gdyż tylko wtedy można uzyskać informacje o rzeczywistym przebiegowym zużyciu paliwa wyrażanym w dm3/100 km oraz emisji substancji szkodliwych z pojazdów. Testy wykonuje się np. na odcinkach o długości od kilku do kilkudziesięciu kilometrów w różnych warunkach drogowych m.in. przy różnym natężeniu ruchu (ruch miejski, pozamiejski drogi krajowe i autostradowy). Dzięki takim badaniom zyskuje się bardzo wiarygodne dane, niemożliwe do uzyskania w warunkach laboratoryjnych na hamowniach. Do badań drogowych pojazdów wykorzystuje się specjalną mobilną aparaturę naukowo-badawczą typu PEMS (Portable Emissions Measurement System). Jak wspomniano jest ona przeznaczona do określania emisji substancji szkodliwych z pojazdów w warunkach ich rzeczywistego użytkowania (pomiar stężenia poszczególnych zanieczyszczeń) oraz umożliwia pomiar energochłonności ruchu, mierząc jednocześnie masowe natężenie wypływu gazów wylotowych z jednostki napędowej przepływomierz spalin mierzący ich wydatek dla zmiennych warunków pracy silnika (rys. 2). Zakresy pomiarowe opisywanej aparatury umożliwiają jej zastosowanie w szerokim zakresie w badaniach pojazdów różnych typów i kategorii homologacyjnych. Ponadto charakteryzuje się ona uzyskaniem wartości mierzonych parametrów w sposób natychmiastowy, co pozwala na szybkie wnioskowanie z prowadzonych badań. Należy w tym miejscu zasygnalizować, iż obecnie postuluje się wprowadzenie tego rodzaju pomiarów drogowych do europejskich procedur homologacyjnych [8]. Rys. 2. Przepływomierz spalin zamontowany w układzie wylotowym silnika (samochód dostawczy Peugeot Expert) 3. WYBRANE ZASTOSOWANIE SYSTEMÓW TELEMATYCZNYCH W TRANSPORCIE 3.1. Wprowadzenie Wdrożenie nowoczesnych systemów telematycznych, których podstawą działania jest system GPS/GSM, stanowi pewnego rodzaju remedium na poprawę funkcjonowania sektora transportu. Przedmiotowe systemy są rozwiązaniami integrującymi technologie informatyczne i telekomunikacyjne z inżynierią transportu, przy wsparciu kilku innych dziedzin naukowych, takich jak np.: ekonomia, inżynieria systemów, sterowanie ruchem. Tego rodzaju połączenie służy przede wszystkim zwiększeniu bezpieczeństwa wykonywanych przewozów, ich efektywności i wygody, a także zmniejszeniu negatywnego oddziaływania środków transportu na środowisko naturalne człowieka. Logistyka 4/

4 Rys. 3. Wybrane elementy składowe systemu telematycznego stosowanego w międzynarodowym transporcie drogowym (związane z nawigacją i zarządzaniem flotą) Źródło: [11]. Systemy telematyki transportowej (rys. 3) znajdują zastosowanie w wielu obszarach, w tym między innymi w sterowaniu ruchem pojazdów samochodowych na danej trasie oraz w całej sieci transporotowej, do informowania o sposobach i warunkach podróży, a także do oceny stosowanego przez kierowcę stylu jazdy (bieżąca kontrola jego pracy). To ostatnie zastosowanie odgrywa szczególną rolę w aspekcie ekologii użytkowania pojazdów transportu masowego. Ponadto ciągła analiza stylu jazdy kierowców, wśród wielu możliwości jakie niesie za sobą stosowanie systemów telematycznych w transporcie osób i ładunków, jest jedną z kluczowych możliwości redukcji kosztów w firmach transportowych, zwłaszcza w obliczu wysokich cen rynkowych paliw. Monitoring sposobu prowadzenia pojazdu pozwala bowiem m.in. na skuteczne wdrażanie zasad ekonomicznej jazdy Przykładowe technologie telematyczne stosowane w transporcie drogowym Ciągły rozwój branży IT oraz szybki wzrost dostępności urządzeń wykorzystujących satelitarne systemy informacyjne i nawigacyjne powoduje, że na współczesnym rynku motoryzacyjnym pojawiło się wiele nowoczesnych systemów, które wspomagają zarządzanie przedsiębiorstwami transportowymi. Dane uzyskiwane dzięki zastosowaniu tych systemów wspierają procesy zarządcze, przez co podnoszą sprawność i konkurencyjność przedsiębiorstw na coraz bardziej zintegrowanym rynku przewozowym. Pozwalają one nie tylko na tworzenie i rozwój baz danych dla optymalizacji tras przejazdów i zmniejszania bezpośrednich kosztów przewozów, ale także na zwiększenie bezpieczeństwa pracy kierowców, eksploatowanych pojazdów i transportowanego ładunku oraz sprawniejsze i bardziej ekologiczne sterowanie flotą środków transportu. Jak już wspomniano, ekonomia i ekologia są ze sobą nierozerwalnie związane w aspekcie sposobu użytkowania pojazdów styl jazdy kierowców zawodowych wywiera duży wpływ na środowisko naturalne, a także na rentowność prowadzenia działalności transportowej. Prowadzenie pojazdu użytkowego w niepoprawny sposób znacznie wpływa na wielkość zużycia paliwa, i tym samym emisję substancji szkodliwych w gazach wylotowych (głównie dwutlenku węgla, tlenków azotu i cząstek stałych). Dane, na podstawie których można określić styl jazdy kierowcy mogą pochodzić choćby z samego tachografu zamontowanego w pojeździe, wykonującym pracę przewozową. Tego rodzaju urządzenie rejestruje dane dotyczące m.in. prędkości i czasu jazdy, przebytego odcinka drogi, czasu pracy kierowcy, a także opcjonalnie prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Dane pomiarowe mogą być zapisywane w postaci graficznej na okrągłej tarczy (dotyczy tachografów analogowych lub elektronicznych), bądź w pamięci urządzenia (jak w przypadku tachografów cyfrowych) [6]. 658 Logistyka 4/2015

5 Współcześnie na rynku transportowym dostępnych jest również wiele systemów telematyki, wyposażonych w zaawansowanego technicznie cyfrowego asystenta stylu jazdy. Umożliwia on szybkie wykrycie błędów w technice jazdy i wskazanie kierowcy przyczyn powodujących zwiększoną energochłonność ruchu pojazdu (duże zużycie paliwa). Mogą to być m.in.: nadmierna prędkość jazdy, częste przyspieszanie i hamowanie, zły dobór przełożeń w skrzyni biegów, nagminne przekraczanie zielonego zakresu prędkości obrotowej wału korbowego silnika, długie lub częste postoje bezproduktywna praca silnika na biegu jałowym (rys. 4). Przykładowym urządzeniem, będącym asystentem stylu jazdy, jest CarCube firmy Punch Telematix (rys. 5). Łączy ono telematykę, telemetrię, nawigację i telefonię komórkową. Podczas jazdy mierzy takie parametry, jak: zużycie paliwa, prędkość obrotowa wału korbowego silnika, hamowanie i przyspieszanie, oraz sygnalizuje kierowcy na wyświetlaczu i sygnałem dźwiękowym, w jaki sposób może on zmniejszyć zużycie paliwa (rys. 6). Tego rodzaju cyfrowy asystent stylu jazdy ma za zadanie przede wszystkim motywować kierowców do korygowania stosowanego przez nich sposobu sterowania samochodem. Rys. 4. Przykładowe dane pozyskane z systemu telematycznego Źródło: [5]. Rys. 5. Asystent stylu jazdy firmy Punch Telematix CarCube Źródło: [4]. Logistyka 4/

6 3.3. Ilościowa i jakościowa analiza stylu jazdy kierowcy W wyniku montażu w pojeździe systemu telematycznego wyposażonego w cyfrowego asystenta stylu jazdy można dokonywać zarówno ilościowej, jak i jakościowej analizy tego stylu. Przykładowo urządzenie TX-ECO firmy Transics dzięki połączeniu z magistralą CAN/FMS analizuje parametry stylu jazdy, rejestrując m.in. ile razy kierowca zmieniał biegi, hamował czy przyspieszał, jak długo jechał bez korzystania z pedału przyspieszenia lub jak długo naciskał na pedał hamulca. Na podstawie tych danych kierownictwo firmy może np. ocenić i porównać styl jazdy poszczególnych kierowców pokonujących jednakową trasę. Te informacje można wykorzystać podczas indywidualnych sesji treningowoszkoleniowych, dzięki którym kierowcy będą mogli sami się przekonać, że stosując się do zasad eko-jazdy można znacznie obniżyć zużycie paliwa i emisję CO 2 bez konieczności wydłużania czasu jazdy [1]. Samo podejście jakościowe jest zbyt ograniczone i subiektywne, aby można na jego podstawie efektywnie określać styl jazdy kierowcy. Trudno jest bowiem porównać, analizując np. liczbę hamowań, jazdę miejską z pokonywaniem trasy autostradą. Z tego też względu firma Transics opracowała system ocen ECO-SCORE, uwzględniający analizę poszczególnych parametrów jazdy w powiązaniu z czasem trwania i częstotliwością ich występowania. W tym aspekcie ocenie podlega również praca silnika na biegu jałowym, kontrolowanie prędkości obrotowej wału korbowego silnika czy też umiejętność przewidywania przez kierowcę sytuacji drogowych. Charakterystyka stylu jazdy przekształcana jest potem na miarodajny system punktacji, który w zrozumiały sposób obrazuje zachowanie każdego kierowcy podczas jazdy. Dzięki takiemu rozwiązaniu pracodawca może szybko zweryfikować styl jazdy swoich kierowców i zaproponować dodatkowe szkolenia tym, których wyniki wymagają poprawy. Rys. 6. Interfejs komunikacyjny systemu FleetBoard Źródło: [5]. 660 Logistyka 4/2015

7 4. PODSUMOWANIE Dobra organizacja procesu transportu jest dość skomplikowanym zadaniem, zwłaszcza w obecnej dobie gwałtownego rozwoju motoryzacji i postępującego dużego obciążenia, a czasami nawet paraliżu, sieci drogowej. Przede wszystkim w przypadku dalekich tras oraz rozwożenia ładunków do kilku podmiotów niezbędne jest zaplanowanie trasy tak, aby w jak największym stopniu zoptymalizować koszty oraz czas przewozu. Optymalna trasa przejazdu to jeszcze nie wszystko w aspekcie minimalizacji energochłonności ruchu i emisji substancji szkodliwych do atmosfery. Ważny w tym względzie jest również sposób sterowania silnikiem pojazdu użytkowego, służącego do przewozów masowych. Aby zmniejszyć koszty zakupu paliw, w obliczu wysokich ich cen, szefowie firm transportowych starają się między innymi nakłaniać swoich kierowców do bardziej ekonomicznej jazdy. Niekiedy w szkolenia i dokształcanie inwestuje się sporo czasu, energii i pieniędzy, ale efekty tego są marne. Zmiana nawyków i zachowań związanych ze stylem jazdy, szczególnie wśród doświadczonych kierowców, nie jest łatwym zadaniem. Może w tym jednak pomóc niezależne i obiektywne narzędzie szkoleniowe cyfrowy asystent stylu jazdy, które uwzględnia indywidualny sposób jazdy poszczególnych kierowców. Przeprowadzanie jednorazowych szkoleń czy treningów najczęściej nie wystarcza, by na stałe zmienić nawyki kierowców. Aby osiągnąć długotrwały rezultat potrzebne jest narzędzie umożliwiające stały monitoring stylu jazdy, które uświadamia i pokazuje kierowcom podczas ich codziennej pracy, jaki wpływ na wielkość zużycia paliwa i emisję toksycznych zanieczyszczeń w spalinach ma zachowanie na drodze. Powyższemu działaniu służą m.in. systemy telematyczne, które w ocenie energochłonności ruchu pojazdów są bardzo przydatne. Ich zaletami są głównie prostota badań i mały koszt analiz, jednak do wad należy zaliczyć m.in. mało dokładny pomiar w porównaniu do stanowiskowych badań laboratoryjnych czy też badań w rzeczywistych warunkach ruchu. Streszczenie W referacie, na podstawie literatury, dokonano analizy możliwości zastosowania nowoczesnych systemów telematyki transportu do oceny aspektów ekonomicznych i ekologicznych (środowiskowych) użytkowania pojazdów, napędzanych silnikami o zapłonie iskrowym i samoczynnym. Skupiono się przede wszystkim na kwestii energochłonności ruchu pojazdów samochodowych, wykorzystywanych w transporcie drogowym. Słowa kluczowe: pojazd samochodowy, system telematyczny, zużycie paliwa, asystent stylu jazdy The methods of the evaluation of the motor vehicles' energy consumption Abstract In this paper, based on the literature review, the analysis of the applicability of modern transport telematics systems to evaluate the economic and ecological (environmental) aspects of vehicles use, powered by engines with spark and compression ignition, has been presented. The focus is primarily on the issue of energy consumption by motor vehicles, which are used in road transport. Key words: motor vehicle, telematics system, fuel consumption, driving style assistant. LITERATURA [1] Andrzejewski M., Telematyka w służbie ekologii, Samochody Specjalne nr 9/2012, s [2] AVL C & I.: Current and Future Exhaust Emissions Legislation. AVL List GmbH. Graz [3] GTR No Test procedure for compression-ignition (C.I.) engines and positive-ignition (P.I.) engines fuelled with natural gas (NG) or liquefied petroleum gas (LPG) with regard to the emission of pollutants (WHDC). ECE/TRAN/2005/124/4, ECE/TRAN/2005/124/4/ Amend.1, ECE/TRAN/2005/124/4/ Amend.2. [4] Materiały firmy Punch Telematix: (dostęp z dnia ). [5] Materiały koncernu Daimler: (dostęp z dnia ). [6] Mazurek S., Merkisz J., Tachograf cyfrowy, Wydawnictwo Instytutu Transportu Samochodowego, Warszawa [7] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S., Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych w świetle nowych przepisów Unii Europejskiej, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Logistyka 4/

8 [8] Walsh M., Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update. Combustion Engines, No. 2/2011 (145). [9] (dostęp z dnia ). [10] (dostęp z dnia ). [11] (dostęp z dnia ). 662 Logistyka 4/2015