Wybrane aspekty eksploatacji pojazdu w warunkach ruchu miejskiego

Transkrypt

1 WITASZEK Kazimierz 1 WITASZEK Mirosław 2 Wybrane aspekty eksploatacji pojazdu w warunkach ruchu miejskiego WSTĘP Obszary miast generują zazwyczaj znaczny ruch drogowy, związany z transportem osób i ładunków. Dzięki temu transport samochodowy jest głównym źródłem zanieczyszczeń powietrza w dużych miastach [6]. Powoduje on także skażenie wody, np. metalami takimi jak: Cd, Pb i Zn, zwłaszcza w pobliżu głównych dróg [4]. Dąży się zatem do ograniczenia jego negatywnego wpływu na środowisko naturalne oraz maksymalizacji jego efektywności, np. dzięki obniżeniu energochłonności. Bardzo duży wpływ na ilość zanieczyszczeń powietrza w miastach, a także ilość wypadków drogowych wywierają warunki ruchu [2, 3, 6]. Wzrost natężenia ruchu powoduje zwiększenie koncentracji zanieczyszczeń powietrza (takich jak: tlenek węgla, węglowodory, tlenki azotu i cząstki stałe) w miastach [6], a także ilość wypadków drogowych [3]. Stąd eksploatacja samochodów w warunkach ruchu miejskiego jest istotnym zagadnieniem decydującym o bezpieczeństwie ruchu i jego wpływie na środowisko naturalne. Te względy skłoniły autorów do zbadania wybranych aspektów tego zagadnienia. O eksploatacji pojazdu w ruchu miejskim decydują warunki tego ruchu. Parametrami charakteryzującymi te warunki najczęściej są [2]: natężenie ruchu ilość pojazdów w jednostce czasu (zwykle na godzinę) czy ilość pojazdów na danej długości drogi, prędkość, długość korków, czas przejazdu danego odcinka. Podczas płynnego ruchu występuje liniowa zależność między ilością pojazdów na jednostkę czasu, drogi, czasem przejazdu danego odcinka, prędkością pojazdów i długością korków w ruchu miejskim [2]. Podobnie na autostradach obserwuje się w przybliżeniu liniową zależność między ilością pojazdów na jednostkę długości drogi a ich prędkością [1]. Przy pewnej wartości natężenia ruchu obserwuje się gwałtowny wzrost ilości pojazdów na jednostkę długości drogi oraz długości korków i czasu przejazdu. Droga nie ma wówczas możliwości przepuszczenia większej ilości pojazdów w jednostce czasu [2]. Potocznie mówi się wówczas o zakorkowaniu drogi. W pobliżu drogi obserwuje się wtedy znaczny wzrost stężenia zanieczyszczeń powietrza pochodzących ze spalin samochodowych. Zależy ono silnie od długości korków [2]. Natężenie ruchu jest najmniejsze nocą, a w ciągu dnia wykazuje dwa maksima większe w czasie porannego szczytu komunikacyjnego (godz ) i mniejsze podczas popołudniowego (godz ) [6, 7]. Wyjątkiem są zakorkowane odcinki dróg, w przypadku których natężenie ruchu może być stałe nawet przez cały dzień [6] lub zmieniać się nieznacznie [3]. Na natężenie ruchu wpływa także ukształtowania miasta. Historyczna zabudowa o wąskich ulicach z dużą ilością skrzyżowań i ciasnych łuków cechuje się niską przepustowością oraz niewielka ilością miejsc parkingowych. Sprawia to, że większość mieszkańców takich obszarów zamiast podróżowania własnymi samochodami korzysta z transportu zbiorowego [5]. Jeśli po takich uliczkach jeździ znaczna ilość autobusów powoduje to powstawanie korków w pobliżu przystanków autobusowych, co dodatkowo zniechęca kierowców samochodów osobowych do poruszania się po takich drogach. W takich warunkach rośnie natężenie ruchu motocykli i motorowerów, które, z uwagi na niewielkie rozmiary cechują się lepszymi zdolnościami do przemieszczania się po zakorkowanych ulicach [5]. Dzięki tzw. efektowi wąwozu wąskie ulice sprzyjają wysokiej koncentracji zanieczyszczeń powietrza [5]. Szersze ulice i wyższa zabudowa sprzyjają większemu natężeniu ruchu drogowego. Nowoczesne rozwiązania, takie jak 1 dr inż. Kazimierz Witaszek, Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, kazimierz.witaszek@polsl.pl, dr inż. Mirosław Witaszek, Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, mirosław.witaszek@polsl.pl,

2 szerokie, np. czteropasmowe drogi z wielopoziomowymi skrzyżowaniami przecinające się pod kątem prostym sprzyjają największemu natężeniu ruchu drogowego, zwłaszcza w godzinach szczytu [5]. 1. BADANIA W artykule przedstawiono wyniki badań różnych parametrów określających warunki eksploatacji samochodu w ruchu miejskim oraz ich wpływ np. na zużycie paliwa. Do badań wykorzystano samochód osobowy Renault Thalia, napędzany silnikiem o mocy 55 kw i pojemności skokowej 1390 cm 3, z zapłonem iskrowym. Badane parametry pracy pojazdu rejestrowano za pomocą bezprzewodowego interfejsu ELM-327 Bluetooth, który podłączono do gniazda diagnostycznego OBDII. Dane udostępniane przez jednostkę sterującą były transmitowane radiowo przez interfejs do mobilnego urządzenia, na którym uruchomiono program Torque Pro, działający. w systemie operacyjnym Android. Program ten wyświetlał aktualne wartości parametrów pracy samochodu i rejestrował je z częstotliwością 2 Hz w pamięci urządzenia. Z uwagi na ograniczoną ilość miejsca na desce rozdzielczej do akwizycji danych użyto smartfonu Samsung Galaxy 4 Mini. Podczas badań był on zamocowany w uniwersalnym uchwycie samochodowym. Ponieważ działanie programu znacznie obciążało smartfon, dla uniknięcia rozładowania akumulatorów zasilano go samochodową ładowarką przez złącze USB. Na rysunku 1 pokazano wygląd zarówno interfejsu ELM-327 oraz telefonu z uruchomionym programem Torque Pro. Oprócz parametrów odczytywanych przez złącze diagnostyczne rejestrowano np. długość i szerokość geograficzną miejsca, w którym znajdował się samochód czy jego wysokość nad poziomem morza udostępniane przez system nawigacji satelitarnej GPS. Rys. 1. Urządzenia wykorzystane do badań: a) interface diagnostyczny ELM237 Bluetooth; b) smartfon Samsung Galaxy 4 Mini z oprogramowaniem Torque Pro 2. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Istotnym aspektem eksploatacji pojazdu jest prędkość jazdy. W ruchu miejskim wynika ona z ukształtowania sieci dróg, obowiązujących ograniczeń prędkości i natężenia ruchu. Na rysunku 2 przedstawiono częstość występowania poszczególnych wartości prędkości w ruchu miejskim oraz odpowiadające im średnie zużycie paliwa w litrach na 100 km przebytej drogi (dm 3 /100 km). Jak wynika z tego rysunku w badaniach najczęściej występowały prędkości z zakresu km/h oraz 5-15 km/h przy ruszaniu i hamowaniu np. na światłach czy jeździe w korkach. Udział prędkości powyżej 50 km/h był niewielki z uwagi na małą ilość odcinków dróg, na których takie prędkości są dozwolone. Ze wzrostem prędkości maleje zużycie paliwa na jednostkę drogi. Dla największych, badanych prędkości (powyżej 60 km/h) zaobserwowano jego nieznaczny wzrost. 6638

3 Rys. 2. Częstość występowania poszczególnych wartości prędkości w ruchu miejskim oraz odpowiadające im średnie zużycie paliwa Prędkość ruchu samochodu jest kontrolowana przez kierowcę za pomocą zmian biegów, umożliwiającego odpowiedni dobór przełożenia pomiędzy wałem korbowym silnika a kołami napędowymi. Częstość jazdy z danymi prędkościami na poszczególnych biegach pokazano na rysunku 3. Rys. 3. Częstość występowania poszczególnych wartości prędkości w ruchu miejskim na poszczególnych biegach 6639

4 Częstość używania poszczególnych biegów w ruchu miejskim przedstawiono na rysunku 4a. Jak wynika z tego rysunku największy (prawie 30%) jest udział kategorii oznaczonej jako Luz. Obejmuje ona postój i końcowe etapy hamowania do zatrzymania. W trakcie jazdy najczęściej używa się biegu czwartego i trzeciego (odpowiednio ponad 21% i 16%), a najrzadziej pierwszego (ponad 5%). Średnie zużycie paliwa na poszczególnych biegach przedstawiono na rysunku 4b. Wynika z niego, że najmniej ekonomiczna i ekologiczna jest jazda na najniższym biegu. Samochód spala wówczas średnio ok. 26 litrów paliwa na 100 km przebytej drogi. Najmniejszym zużyciem paliwa cechuje się jazda na najwyższym biegu (5,5 dm 3 /100 km). Przyczyną tego jest mniejsze przełożenie w układzie napędowym, dzięki czemu do wykonania jednego obrotu kół napędowych samochodu potrzebna jest mniejsza ilość obrotów wału korbowego silnika, czyli cykli spalania paliwa w cylindrach. Średnie zużycie paliwa na luzie jest dość wysokie i wynosi 15 dm 3 /100 km, co jest zbliżone do wartości osiąganej na drugim biegu. Na najczęściej wykorzystywanym czwartym biegu jest ono dość niskie (6,6 dm 3 /100 km). Natomiast jazda na trzecim biegu jest znacznie mniej ekonomiczna, gdyż powoduje średnie zużycie paliwa przekraczające 9 dm 3 /100 km. Stanowi to blisko 50% wzrost w porównaniu z jazdą na biegu IV. Rys. 4. Udział jazdy i postoju na poszczególnych biegach w ruchu miejskim (a) oraz średnie zużycie paliwa dla danych biegów (b) Zużycie paliwa zależy również od przyśpieszenia, regulowanego przez naciśnięcie tzw. pedału gazu. Dla silników z zapłonem iskrowym (takich jak napędzający badany samochód) położenie tego pedału jest związane z odpowiednim otwarciem przepustnicy, co reguluje ilość ładunku zasysanego do cylindrów. Większe otwarcie przepustnicy oznacza większą ilość paliwa spalanego w cylindrze podczas jednego cyklu pracy. Rośnie więc moc silnika, prędkość obrotowa jego wału korbowego i zużycie paliwa. Częstość użycia poszczególnych wartości otwarcia przepustnicy i odpowiadające im średnie zużycie paliwa przedstawiono na rysunku 5. Wynika z niego, że najczęściej silnik pracuje przy minimalnym otwarciu przepustnicy. Jest to związane z wysokim udziałem postojów i hamowań w ruchu miejskim, widocznym na rysunku 4a. W trakcie jazdy otwarcie to najczęściej wynosi ok. 30%, co zapewnia stosunkowo niskie zużycie paliwa. Zwiększenie otwarcia przepustnicy skutkuje zauważalnym wzrostem tego zużycia, tak że dla maksymalnego otwarcia rośnie ono blisko pięciokrotnie. Jak już wspomniano otwarcie przepustnicy pozwala na regulację prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Udział poszczególnych wartości tej prędkości wraz ze zużyciem paliwa pokazano na rysunku

5 Rys. 5. Częstość używania poszczególnych wartości otwarcia przepustnicy w ruchu miejskim oraz odpowiadające im średnie zużycie paliwa Rys. 6. Częstość pracy silnika przy poszczególnych prędkościach obrotowych wału korbowego oraz odpowiadające im średnie zużycie paliwa Jak wynika z porównania rysunków 5 i 6 częstość pracy silnika przy poszczególnych prędkościach obrotowych odpowiada częstości otwarcia przepustnicy. Natomiast charakter zależności zużycia paliwa od prędkości obrotowej jest inny niż dla otwarcia przepustnicy. Ze wzrostem liczby obrotów na minutę zużycie to początkowo spada, a po przekroczeniu wartości 1800 obr/min zwiększa się. W celu wyjaśnienia przyczyn tych różnic wykonano analizę prędkości obrotowej na poszczególnych biegach. Częstość występowania różnych prędkości obrotowych na danych biegach przedstawiono na rysunku 7, a ich wpływ na średnie zużycie paliwa, na rysunku

6 Rys. 7. Częstość występowania różnych prędkości obrotowych na poszczególnych biegach Rys. 8. Wpływ prędkości obrotowej na zużycie paliwa przy poszczególnych biegach Z rysunku 8 wynika, że dla wszystkich biegów obserwuje się zwiększenie zużycia paliwa ze wzrostem prędkości obrotowej, tak jak ma to miejsce w przypadku otwarcia przepustnicy. Zużycie to na najniższym biegu jest największe, a na dalszych obserwuje się jego spadek. Ponieważ jazda przy małych prędkościach obrotowych występuje głównie na biegu pierwszym i drugim (rys. 7), dlatego 6642

7 średnie zużycie paliwa (obliczone z danych dla wszystkich biegów) jest większe niż dla wartości ok obr/min, przy której najczęściej używane są wyższe biegi, powodujące mniejsze spalanie paliwa na jednostkę drogi. Większy udział jazdy na niskich biegach przy małych prędkościach obrotowych odpowiada zatem za inny charakter zależności średniego zużycia paliwa od prędkości obrotowej, niż od otwarcia przepustnicy. WNIOSKI W artykule dokonano analizy różnych parametrów eksploatacji samochodu osobowego w ruchu miejskim. Określono rozkład prędkości w tym ruchu, także na poszczególnych biegach. Zbadano także jej wpływ na zużycie paliwa. Dla samochodu wykorzystanego w badaniach prędkość zapewniająca minimalne zużycie palia w ruchu miejskim wynosi 60 km/h i jest o 10 km/h wyższa niż dopuszczalna na większości dróg w porze dziennej. Poruszanie się po drogach miejskich wymaga częstego hamowania i postoju. Sprawia to że przez ok. 30% czasu dźwignia zmiany biegów znajduje się w położeniu neutralnym, a silnik pracuje na biegu jałowym. Powoduje to dość wysokie zużycie paliwa na jednostkę drogi (średnio 15 dm 3 /100 km). Możliwość zwiększenia ekonomiki jazdy przez kierującego badanym samochodem tkwi w jak największej częstości używania biegu czwartego i piątego, zapewniających stosunkowo niskie zużycie paliwa (odpowiednio 6,6 i 5,5 dm 3 /100 km), oraz pracy silnika przy ok. 30% otwarciu przepustnicy, któremu odpowiada prędkość obrotowa ok obr/min. Streszczenie Wśród licznych czynników decydujących o bezpieczeństwie ruchu samochodowego oraz jego wpływie na środowisko naturalne istotną rolę odgrywają parametry pracy pojazdu. Wysokie natężenie ruchu zwiększa zanieczyszczenie powietrza i ilość wypadków drogowych. Ma to miejsce w ruchu miejskim. W pracy przedstawiono wyniki badań wybranych parametrów pracy pojazdu przy poruszaniu się w takim ruchu. Analizowano: prędkość jazdy, czas postojów, udział jazdy na poszczególnych biegach, przy różnych stopniach otwarcia przepustnicy i prędkościach obrotowych wału korbowego silnika. Określono także wpływ tych czynników na zużycie paliwa. Stwierdzono, że jazda na najwyższym biegu, możliwym w danych warunkach i przy ograniczonej prędkości obrotowej, wynikającej ze stosunkowo niewielkiego (ok. 30%) otwarcia przepustnicy, poprawia ekonomikę jazdy. Słowa kluczowe: warunki eksploatacji, ruch miejski, samochód osobowy, prędkość ruchu, bieg, otwarcie przepustnicy, prędkość obrotowa wału korbowego, zużycie paliwa. Chosen aspects of automotive vehicle operating in urban traffic conditions Abstract Among numerous factors that determine traffic safety and its influence on environment vehicle operating conditions play an important role. High street traffic volume increases air pollution and number of accidents. It takes place in urban traffic. This work presents a study of chosen operating conditions of a passenger car in such type of traffic. Cruise speed, idle time, gear use, throttle position and rotational speed were studied. Their influence on fuel consumption was determined. It was stated, that use of the highest, possible gear as well as moderate rotational speed, resulting from relatively low throttle opening (about 30%), has beneficial influence on driving economy. Keywords: operating parameters, urban traffic, passenger car, cruise speed, gear, throttle position, crankshaft rotational speed. BIBLIOGRAFIA 1. Chen C.-H. Chang H.-C., Su C.-Y. Lo, C.-C., Lin H.-F.: Traffic speed estimation based on normal location updates and call arrivals from cellular networks. Simulation Modelling Practice and Theory 2013 nr 35, s Galatioto F., Zito P.: Traffic parameters estimation using neural networks. Environ. Model Assess. 2009, nr 14, s

8 3. Martin J.-L.: Relationship between crash rate and hourly traffic flow on interurban motorways. Accident Analysis and Prevention 2002, nr 34, s Shorshani M.F., Bonhomme C., Petrucci G., André M., Seigneur C.: Road traffic impact on urban water quality: a step towards integrated traffic, air and stormwater modelling. Environ. Sci. Pollut. Res. 2014, nr 21, s Tang U.W., Wang Z.S.: Influences of urban forms on traffic-induced noise and air pollution: Results from a modelling system. Environmental Modelling & Software 2007, nr 22, s Xia L., Shao Y.: Modelling of traffic flow and air pollution emission with application to Hong Kong Island. Environmental Modelling & Software 2005, nr 20, s Xu C., Liu P., Wang W., Li Z.: Evaluation of the impacts of traffic states on crash risks on freeways. Accident Analysis and Prevention 2012 nr 47, s