SAMOCHODY ELEKTRYCZNE - DŹWIĘK CISZY

Transkrypt

1 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109) 155 Andrzej Łebkowski Akademia Morska w Gdyni, Gdynia SAMOCHODY ELEKTRYCZNE - DŹWIĘK CISZY ELECTRIC VEHICLES - THE SOUND OF SILENCE Streszczenie: Hałas to jeden z najważniejszych roblemów środowiskowych i efektów ubocznych wsółczesnego rozwoju cywilizacyjnego. Nadmierny oziom hałasu owoduje u ludzi wystęowanie licznych schorzeń i zaburzeń, a także niekorzystny wływ na samooczucie i zachowanie się ludzi (brak koncentracji, zmęczenie). W głównej mierze, hałas na terenach zurbanizowanych generowany jest rzez transort, a w szczególności transort kołowy. Dokonując analizy rzedstawionego roblemu, można ostawić tezę, iż wrowadzając do użytku elektryczne lub hybrydowe układy naędowe, można zmniejszyć oziom hałasu oraz zanieczyszczeń w obszarze terenów miejskich. W artykule zarezentowano wyniki badań związanych z emisją hałasu rzez samochody elektryczne i salinowe, oruszające się z różnymi rędkościami i o różnych nawierzchniach. Omówione zostały zagadnienia rawne związane z emisją hałasu rzez ojazdy elektryczne, jak również wływ masowego zastosowania tych ojazdów na zmniejszenie oziomu hałasu oraz zanieczyszczeń w obszarze terenów miejskich. Abstract: Noise is one of the most imortant environmental roblem and side-effect of civilization rogress. Excessive noise levels cause numerous diseases and disorders in eole, in addition to entailing adverse effects in one s behavior and well-being (e.g. lack of focus, fatigue). In urban conditions, the main roducer of noise is traffic, esecially wheeled traffic. Analyzing the roblem, it can be stated that by introducing urely electric or hybrid roulsion, the urban noise levels and ollution could be mitigated. The aer resents the results of noise level research, as emitted by various cars, electric and conventional, riding on various surface tyes with varying velocities. Legal issues regarding noise emissions by electric vehicles are discussed, as well as redicted imact of mass adotion of such vehicles on lowering the noise and ollution level in urban areas. Słowa kluczowe: samochody elektryczne, naęd elektryczny, hałas komunikacyjny Keywords: electric cars, electric owertrain, traffic noise, owertrain noise 1. Wstę Problem emisji hałasu rzez transort drogowy, omimo faktu, iż ma znaczący wływ na samooczucie i zachowanie się ludzi, jest jednym z bardziej omijanych i lekceważonych zagadnień w naszym kraju. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) informuje, iż rzekroczenie oziomu hałasu owyżej 55 db ma niekorzystny wływ na zdrowie człowieka owodując brak koncentracji, zmęczenie, rozdrażnienie, zaburzenia sychiczne, bóle głowy, bezsenność, roblemy z krążeniem krwi, lub szumy uszne [1]. W aździerniku 2012 roku Minister Środowiska wrowadzając nowe normy dotyczące dobowego i długookresowego hałasu komunikacyjnego, sowodował kilkukrotny sadek liczby mieszkańców zagrożonych onadnormatywnym hałasem. Ustalono, iż mieszkańcy dużych miast muszą znosić hałas w ciągu dnia na oziomie 70 db, natomiast w nocy na oziomie 65 db. Kontrola rzerowadzona rzez NIK [3] w 2014 roku wykazała, iż liczba mieszkańców narażonych na nadmierny oziom hałasu sadła z tego tytułu w Łodzi z 48% na 21% (gęstość zaludnienia 137os./km 2 ), w Radomiu z 21% na 4% (150os./km 2 ), Gorzowie Wielkoolskim z 20% na 2% (73os./km 2 ), Koszalinie z 19% na 3% (75os./km 2 ), Toruniu z 14% na 1% (116 os./km 2 ), w Warszawie 12% na 7% (150os./km 2 ), Bydgoszczy 12% na 2% (116os./km 2 ), Białymstoku z 11% na 2% (59os./km 2 ). Interesujące było by rzerowadzenie kontroli oraz rzedstawienie wyników dla województw, gdzie gęstość zaludnienia jest największa w Polsce, czyli śląskim 372os./km 2 i małoolskim 222os./km 2 [2]. Jednocześnie są to województwa, na terenie których wystęuje alarmujący oziom zanieczyszczeń owietrza w centrach miast. Do owstania takiej sytuacji niewątliwie w znacznym stoniu rzyczynia się transort drogowy. Szacuje się, że transort drogowy w ok. 90% [3] jest źródłem nadmiernego hałasu drogowego, a także w ok. 90% rzyczynia się do owstawania zanieczyszczeń owietrza i smogu w miastach. Synergicznie

2 156 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109) w ostatnich latach w Polsce wzrasta liczba rejestrowanych ojazdów ( szt., szt., +8,3%, średnia euroejska +9,3%) i niekoniecznie tych ekologicznych (samochody elektryczne: szt., szt., rzyrost +83,7%, średnia euroejska +108,8%; samochody hybrydowe: szt., szt., rzyrost +40,4%, średnia euroejska +23,1%) [4,5,6]. Pojazdy rejestrowane w Polsce ochodzą głównie z imortu. Ponad 70% samochodów osobowych w Polsce ma więcej niż 10 lat. Za zły stan olskiej floty samochodów, odowiadają głównie niskie zarobki obywateli. Ostatni znany wskaźnik motoryzacji (ilość samochodów osobowych na 1000 mieszkańców) dla Polski wyniósł 537 w 2014 roku [7] ( szt.; szt.; szt.) [6], co daje nam 14 miejsce w Euroie (średnia euroejska szt.; szt.; szt.) [6]. Rozwiązaniem niekorzystnej sytuacji związanej z wysokim oziomem hałasu i zanieczyszczeń owietrza w miastach wydaje się być masowe wdrożenie do eksloatacji samochodów z naędem elektrycznym i nawet tych, które są zasilane z olskich elektrowni oalanych węglem kamiennym, które jednocześnie stosują nowoczesne systemy filtracyjne i są umieszczone daleko od centrów miast. Kierunek takiego działania oiera Euroejskie Stowarzyszenie Producentów Samochodów (ACEA - The Euroean Automobile Manufacturers Association), które z zadowoleniem rzyjęło głosowanie Parlamentu Euroejskiego z dnia 3 lutego 2016r., nad rozorządzeniem w srawie emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach drogowych (RDE - Real Driving Emissions). 2. Hałas komunikacyjny Hałas to zbiór dźwięków o nadmiernym natężeniu działającym negatywnie orzez owierzchnię organizmu na narządy wewnętrzne, a rzede wszystkim orzez narząd słuchu na system nerwowy. Hałas to zbiór wrowadzonych w drgania cząsteczek owietrza rozchodzących się wokół ich źródła w ostaci fal akustycznych. Hałas oisywany jest za omocą ciśnienia akustycznego ak wyrażonego w askalach (Pa) oraz częstotliwości mierzonej w cyklach na sekundę, czyli hercach (Hz). Ciśnienie akustyczne stanowi zmierzoną chwilową różnicę ciśnienia omiędzy rzechodzącą falą akustyczną, a ciśnieniem atmosferycznym. ak ( t) atm = (1) gdzie: (t) - chwilowa wartość ciśnienia owietrza [Pa], atm - ciśnienie atmosferyczne [Pa]. Ze względu na szeroki zakres zmian ciśnienia akustycznego stosuje się uroszczenie olegające na zastosowaniu skali logarytmicznej, jako naturalnej skali oisującej zachowanie się zmysłów człowieka reagujących na bodźce (słuch, węch, wzrok, zmiana temeratury) zgodnie z rawem Webera-Fechnera. W raktyce rzyjęto ojęcie oziomu ciśnienia dźwięku L wyrażanego w decybelach, jako wartości mierzonej w stosunku do względnej wartości ciśnienia odniesienia 0 =0,00002 Pa (0 db). L ak = 20 log (2) Na tej odstawie, oziom natężenia dźwięku można wyznaczyć za omocą omiaru ciśnienia akustycznego, które mierzymy za omocą sonometrów. Właściwości narządu słuchu srawiają, iż ucho ludzkie różnie odbiera dźwięki o różnych częstotliwościach. Z tego względu wrowadza się korekcję oziomów ciśnienia akustycznego zgodnie z charakterystykami częstotliwościowymi w zakresie od 1 do 5 khz. Poziom ciśnienia akustycznego skorygowany charakterystyką częstotliwościową A, nazywany jest oziomem dźwięku A i oznaczany jako db(a), oziom dźwięku skorygowany charakterystyką częstotliwościową C oznaczany jest jako db(c), G jako db(g) [8]. W srawie douszczalnego oziomu hałasu i obowiązujących norm zostały sorządzone akty rawne, takie jak: Dyrektywy Parlamentu Euroejskiego i Rady Euroy, rozorządzenia Ministra Infrastruktury, Ministra Środowiska, Ministra Transortu Budownictwa i Gosodarki Morskiej oraz normy dotyczące omiaru hałasu wytwarzanego rzez ojazdy drogowe [8]. 3. Wyniki badań W trakcie rowadzonych badań rejestrowano oziom natężenia dźwięków ochodzących od ojazdów z naędem elektrycznym oraz ojazdów salinowych. Do badań wykorzystano 8 ojazdów, ięć samochodów elektrycznych: Nissan Leaf z 2014r., Mia electric z 2014r., Fiat Panda EV z 2010r., Citroen Berlingo EV z 1999r., MyCar z 2010r. oraz trzy samochody salinowe: Fiat Panda z silnikiem diesla o ojemności 1300ccm z roku 2004, Mercedes 0

3 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109) 157 SLK o ojemności 2300ccm z roku 1996 oraz BMW E30 o ojemności 2000ccm wyrodukowane w roku Rys. 1. Widok ojazdów biorących udział w teście Badania oziomu hałasu rowadzone były zgodnie z Rozorządzeniem Parlamentu Euroejskiego i Rady Euroy (UE) NR 540/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r., ISO 362. Podczas rowadzenia omiarów uwzględniono wymagania związane z czynnikami atmosferycznymi, które mają wływ na rozrzestrzenianie się dźwięku w środowisku (temeratura otoczenia 5 40 C, brak oadów atmosferycznych, sucha nawierzchnia, teren oziomy, rędkość wiatru mniejsza niż 5m/s, ciśnienie atmosferyczne mniejsze niż 1060hPa, ustawienie mikrofonu na wysokości 1,2m nad oziomem drogi w odległości 7,5 m od środkowej linii asa ruchu). 1,2 m 7,5 m Rys. 2. Ustawienie sonometru odczas badań Podczas badań notowano wyniki omiarów dla ojazdów, które zbliżały się do miejsca omiaru z ustaloną określoną rędkością. Rejestrowano maksymalny oziom hałasu uzyskany odczas kolejnych czterech omiarów, gdy nie różniły się one więcej niż 2dB. Pomiary realizowane były z wykorzystaniem cyfrowego miernika oziomu dźwięku marki CEM model DT-8852 o numerze seryjnym Przyrząd CEM DT-8852 charakteryzuje się dokładność w granicach ±1,5dB, zakresem częstotliwości 31,5Hz 8000Hz oraz temeraturą racy w zakresie 0 40 C. Podczas badań ustawiono charakterystykę korekcji na ty A, zakresy omiarowe , 30 80, , db oraz szybki czas róbkowania. wystrzał z karabinu wybuch etardy róg bólu stadion iłkarski głośna muzyka metro maszyny w fabryce ruch uliczny rozmowa ciche biuro lodówka czytelnia studio stacji radiowej oddychanie róg słyszalności 160 db 2000 Pa 150 db 632,1 Pa 140 db 200 Pa 130 db 63,21 Pa 120 db 20 Pa 110 db 6,321 Pa 100 db 2 Pa 90 db 0,6321 Pa 80 db 0,2 Pa 70 db 0,06321 Pa 60 db 0,02 Pa 50 db 0, Pa 40 db 0,002 Pa 30 db 0, Pa 20 db 0,0002 Pa 10 db 0, Pa 0 db 0,00002 Pa start rakiety maszynownia statku samolot odrzutowy na asie startowym bolid Formuły 1 motocykl sortowy samochód ciężarowy autobus salinowy trolejbus, tramwaj samochód salinowy w ruchu miejskim samochód elektryczny w ruchu miejskim włączony samochód salinowy włączony samochód elektryczny Rys. 3. Ciśnienia akustyczne i oziomy ciśnienia akustycznego różnych dźwięków Na rysunku 4 rzedstawiono wyniki badań otrzymanych odczas rowadzenia testów dla dwóch ojazdów tego samego tyu, które różniły się tylko jednostką naędową. Pod względem konstrukcyjnym ojazdy osiadały identyczną karoserię oraz ogumienie. Jeden z ojazdów wyosażony był w salinowy silnik diesla o ojemności 1300ccm, drugi w elektryczny układ naędowy z manualną skrzynią biegów. Na rysunku 5 rzedstawiono wyniki badań otrzymanych odczas rowadzenia testów dla 8 ojazdów, które oruszały się o nawierzchni asfaltowej w zakresie rędkości od 0 do 100km/h. Rysunek 6 rzedstawia zestawienie charakterystyk oziomu hałasu w funkcji rędkości ojazdów dla samochodów, które oruszały się o nawierzchni asfaltowej, a nastęnie z zachowaniem tej samej rędkości o nawierzchni wyłożonej brukiem.

4 158 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109) Rys. 4. Porównanie hałasu emitowanego rzez ojazdy Fiat Panda EV oraz Fiat Panda Diesel na nawierzchni asfaltowej Rys. 5. Porównanie hałasu emitowanego rzez ojazdy oruszające się na nawierzchni asfaltowej Rys. 6. Porównanie hałasu emitowanego rzez ojazdy oruszające się na nawierzchni z kostki brukowej 4. Dyskusja wyników Dokonując analizy otrzymanych wyników oziomu hałasu emitowanego rzez samochody elektryczne, najcichszym ojazdem z testowanej iątki okazał się Nissan Leaf, a najgłośniejszym MIA electric. Różnica emisji dźwięku omiędzy tymi ojazdami wyniosła nawet 10dB w ełnym zakresie realizowanych rędkości owyżej 10km/h. Otrzymane wyniki badań są zbliżone do wyników testów innych ojazdów z naędem elektrycznym [10,11]. Prowadzone badania otwierdziły, iż: ojazdy elektryczne generują znacznie niższy oziom hałasu niż ich salinowe odowiedniki. Pomiar hałasu dla dwóch identycznych ojazdów różniących się tylko jednostką naędową, wykazał różnice na oziomie od 3 do 7 db(a) w zależności od rędkości ojazdu. Oznacza to obniżenie oziomu hałasu od 2 do 5 razy, ojazdy elektryczne emitują znacznie niższy oziom hałasu od salinowych, szczególnie w zakresie niskich rędkości do 50km/h. Dla dwóch ojazdów tego samego tyu (Fiat Panda EV / Fiat Panda diesel) różnice oniżej rędkości 50km/h wynosiły ok. 7dB i 3 db dla rędkości owyżej 50km/h. Dla najcichszego samochodu elektrycznego użytego w teście (Nissan Leaf) i najcichszego samochodu salinowego

5 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 1/2016 (109) 159 (Fiat Panda diesel), maksymalna różnica wyniosła ok. 14dB dla rędkości do 50km/h i 9dB dla rędkości owyżej 50km/h. Dla najcichszego samochodu elektrycznego użytego w teście (Nissan Leaf) i najgłośniejszego samochodu salinowego (BMW E30), maksymalna różnica wyniosła ok. 17dB dla rędkości do 50km/h i 14dB dla rędkości owyżej 50km/h, istotny wływ na oziom emitowanego hałasu rzez ojazdy ma rodzaj nawierzchni, o której się oruszają. Różnice omiędzy emisją hałasu dla ojazdów, które oruszały się o asfalcie i bruku wyniosły nawet ok.10db. Różnice rosły wraz ze wzrostem rędkości ojazdów, na oziom hałasu ma także wływ rodzaj stosowanego ogumienia, oziom ciśnienia oraz ogólny stan techniczny oon. Dobór odowiedniego tyu oon może rzyczynić się do redukcji hałasu nawet o 3,5 db(a) [9]. Problem nadmiernego hałasu jest zauważany rzez Parlament Euroejski, który już w 2013 roku rozoczął race nad zagadnieniem roonując od 2016 roku sukcesywne zmniejszanie oziomu emisji hałasu rzez wszystkie ojazdy samochodowe oraz montowanie w ojazdach elektrycznych i hybrydowych dodatkowych źródeł dźwięku, które byłyby aktywowane w zakresie niskich rędkości do 30km/h. Bardziej drastyczne rojekty realizowane mają być w Stanach Zjednoczonych, gdzie w Kaliforni zakłada się wycofanie z eksloatacji samochodów salinowych już od roku 2030 [12]. 5. Podsumowanie Problem emisji hałasu w Polsce jest niestety cały czas marginalizowany i świadczyć o tym mogą obowiązujące normy w ciągu dnia na oziomie 70 db i 65dB w nocy, odczas gdy WHO zaleca nie rzekraczanie oziomu 55dB. Na złą sytuację związaną z onadnormatywnym oziomem hałasu szczególnie w miastach, ma wływ głównie wzrastająca liczba samochodów salinowych. Problem można byłoby wyeliminować lub znacznie złagodzić wrowadzając do użytku na masową skalę samochody elektryczne. Efektem zwiększenia ilości ojazdów elektrycznych na olskich drogach, byłoby zmniejszenie od kilku do kilkunastu decybeli oziomu hałasu, a także oziomu zanieczyszczenia owietrza. Niestety, ale głównie ze względów ekonomicznych (zbyt wysokie ceny ojazdów elektrycznych i hybrydowych) oraz strukturalnych (brak infrastruktury ładowania samochodów elektrycznych), roces ten aktualnie jest trudny do realizacji. Koszty jakie możemy onieść w najbliższej rzyszłości lekceważąc temat onadnormatywnego oziomu hałasu, mogą być znacznie wyższe, niż masowe wdrożenie do eksloatacji samochodów elektrycznych. Głównym roblemem związanym z tym zjawiskiem, jest ostęujące ogorszenie się słuchu wśród całej oulacji, a najbardziej wśród dzieci i młodzieży, rzy jednoczesnej rezygnacji z aktywności zawodowej i sołecznej rzez osoby dotknięte głuchotą [13]. Literatura [1]. NIK o hałasie w dużych miastach htts:// ( ). [2]. htt://stat.gov.l/download/gfx/ortalinformacyj ny/l/defaultaktualnosci/5468/7/12/1/owierzchnia_i _ludnosc.df ( ). [3]. htts:// ( ). [4]. htt:// PZPM [5]. SAMAR, 2015, Polski rynek zakończył 2015 rok na lusie. htt:// srzedaz-nowych-samochodow?locale=l_pl [6]. ( ) [7]. Motor vehicles er 1000 eole htt:// Transort/Road/Motor-vehicles-er-1000-eole [8]. Łebkowski A.: Emisja hałasu w ojazdach z naędem elektrycznym, Ekonomika i Organizacja Przedsiębiorstwa, Nr 7/2015. [9]. Gasaroni S., Czuka M., Kriegisch M., Wehr R.: Conter M., Haider M., Controlled-ass-by measurements of electric vehicles within the FOREVER roject. Forum Acusticum Kraków [10]. Iversen L. M.:,,Marbjerg G., Bendtsen H., Noise from electric vehicles state of the art literature survey. Inter.Noise Austria [11]. Jabben J., Verheijen E., Potma C., Noise reduction by electric vehicles in the Netherlands. Inter.Noise USA [12]. Kalifornia: w 2030 nie będzie już samochodów ze salinowymi silnikami? htt://moto.l/motopl/ 1,88389, ,kalifornia-w-2030-nie-bedziejuz-samochodow-ze-salinowymi.html [13]. Marczak P.: Zagrożenie hałasem. Kancelaria Senatu RP, Autor dr inż. Andrzej Łebkowski Katedra Automatyki Okrętowej Akademia Morska w Gdyni ul. Morska 83, Gdynia andrzejl@am.gdynia.l