Journal of KONES Internal Combustion Engines 22 No. 3 4 ISSN 23 45 SIMULATION RESEARCHES OF THE POLLUTION EMISSION BY THE VEHICLES ENGINES USED IN CITIES Zdzisław Chłopek Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów, Zakład Silników Spalinowych 2 524 Warszawa, ul. Narbutta 84 tel./fax (22) 84934, tel. (22) 668584, e mail zchlopek@simr.pw.edu.pl Tomasz Polichnowski NH Polska Sp. z o.o. 62 8 Przeźmierowo, ul. Wysogotowska 96 tel. (6) 86922, fax (6) 86977, e mail tpolichnowski@nhpolska.com.pl Abstract Pollution emitted by the vehicles engines present a serious risk for the environment in the places where traffic intensity is high (ex. huge urban areas). This paper concerns the problem of pollution emissions modelling by the vehicles moving in the area of intersections. The conditions of engines work were modelled depending on the parameters of vehicles traffic determined by the configuration of intersections, intensity of traffic and traffic control at the intersections. Real data concerning the area of intersections in Poznań was used to carry out simulation research. This enabled the authors to make an objective evaluation of the effectiveness of planned traffic control changes. BADANIA SYMULACYJNE EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ PRZEZ SILNIKI POJAZDÓW UŻYTKOWANYCH W MIASTACH Streszczenie Zanieczyszczenia emitowane z silników pojazdów stanowią poważne zagrożenie dla środowiska w miejscach o dużym natężeniu ruchu pojazdów w wielkich aglomeracjach miejskich. W pracy podjęto zadanie modelowanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się w obszarze skrzyżowań. Warunki pracy silników modelowano w zależności od parametrów ruchu pojazdów, zdeterminowanego konfiguracją skrzyżowań, natężeniami ruchu oraz sterowaniem ruchu na skrzyżowaniach. Przeprowadzono badania symulacyjne z wykorzystaniem rzeczywistych danych dla rejonu skrzyżowań w Poznaniu, umożliwiające obiektywną ocenę skuteczności planowanych zmian organizacji ruchu. Wprowadzenie Zanieczyszczenia emitowane z silników pojazdów stanowią szczególnie poważne zagrożenie dla środowiska w miejscach o dużym natężeniu ruchu pojazdów w wielkich aglomeracjach miejskich. Bardzo duża emisja przede wszystkim substancji o właściwościach redukujących, m.in. tlenku węgla, węglowodorów i cząstek stałych towarzyszy pracy silników w dynamicznych warunkach eksploatacji pojazdów w centrach miejskich [, 4 9]. Emisja zanieczyszczeń komunikacyjnych jest silnie zależna od warunków pracy silników, a więc również od charakteru jazdy pojazdów [, 5, 7, 9,, 2]. Na emisję globalną w aglomeracjach miejskich ma również wpływ czynnik ekstensywny natężenie ruchu pojazdów [2 6, 9]. Zarówno natężenie ruchu pojazdów, jak i charakter ich ruchu są zależne od sterowania ruchu [ 4, 8, ]. W związku z tym w pracy podjęto zadanie modelowania emisji zanieczyszczeń z pojazdów, 37
poruszających się w obszarze skrzyżowań z uwzględnieniem modelowania ruchu pojazdów w zależności od wielkości charakteryzujących konfigurację skrzyżowań, natężenia ruchu oraz sterowania ruchu [2, 3]. Charakter ruchu determinuje z kolei charakterystyki ekologiczne silników, jest zatem możliwe rozpatrywanie zagadnienia oceny wpływu racjonalnego kształtowania ruchu pojazdów na stan środowiska w wielkich aglomeracjach miejskich. Na podstawie rozważań ogólnych przeprowadzono w pracy badania symulacyjne z wykorzystaniem rzeczywistych danych dla rejonu skrzyżowań w Poznaniu, umożliwiające obiektywną ocenę skuteczności planowanych zmian organizacji ruchu [2, 3].. Metoda oceny emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się w rejonach skrzyżowań Modelowanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się w rejonie skrzyżowań obejmuje zagadnienia modelowania warunków pracy silników w warunkach użytkowania pojazdów w ruchu w centrach miejskich oraz modelowania ekologicznych charakterystyk silników w tych warunkach [2, 3] (rysunek ). R(S) S) L K MODEL RUCHU POJAZDÓW NA SKRZYŻOWANIACH v(t) MODEL EMISJI Z SILNIKÓW SPALINOWYCH SUBSTANCJI SZKODLIWYCH DLA ŚRODOWISKA E(t) Rys.. Schemat modelowania emisji substancji szkodliwych dla środowiska ze względu na organizację ruchu pojazdów na skrzyżowaniach; oznaczenia: R natężenie ruchu; L wielkości charakteryzujące sterowanie ruchu; K wielkości charakteryzujące konfigurację skrzyżowań; S wielkości charakteryzujące strukturę pojazdów; v(t) prędkość pojazdów; E(t) natężenie emisji zanieczyszczeń, t czas Do modelowania ruchu pojazdów zastosowano program VISSIM [2, 3], zaś do stworzenia wirtualnych sterowników, symulujących algorytmy sterowania w środowisku laboratoryjnym odpowiadającym rzeczywistemu wykorzystano program Traffic 22 firmy NH Polska [2, 3]. Analizowano ruch pojazdów, należących do kategorii typowych dla rozpatrywanych warunków: samochody osobowe (oznaczenie SO), ciężarowe (SC) oraz autobusy miejskie (AM). Brak wyodrębnienia w tej klasyfikacji w jawnej postaci kategorii samochodów dostawczych wynika ze struktury dostępnych danych. W celu stworzenia warunków ruchu przybliżonych do rzeczywistych została uwzględniona w modelu symulacyjnym obecność pojazdów szynowych, rowerzystów oraz pieszych. W modelowaniu charakterystyk ekologicznych przyjęto założenie, że są one zależne tylko od średniej prędkości ruchu [, 3, 7, 9,, 2]. Szersze omawianie tego zagadnienia znajduje się w literaturze [, 3, 5, 7]. W celu wyznaczenia ekologicznych charakterystyk rozpatrywanych kategorii pojazdów wykorzystano strukturę kategorii pojazdów typową dla Niemiec [, ] oraz model opóźnienia stanu technicznego polskiej motoryzacji względem motoryzacji zachodnioeuropejskiej. Model Kategoria jest to zbiór elementów o pewnych wspólnych cechach. Kategorie pojazdów mogą być elementarne na różnych poziomach szczegółowości lub skumulowane na wysokim poziomie ogólności, jak ma to miejsce w klasyfikacji stosowanej w niniejszej pracy [5, 7]. 38
ten został przyjęty w postaci [3 8]: samochody osobowe 5 lat, samochody ciężarowe lat oraz autobusy miejskie 7 lat. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe charakterystyki ekologiczne rozpatrywanych kategorii pojazdów. Modelowanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się w rejonie skrzyżowań zostało przedstawione w sposób kompletny w [3]. 2 a) 3 b) bhc [g/km],5,5 bnox [g/km] 2 2 3 4 5 6 v śr [km/h] 2 3 4 5 6 v śr [km/h] 3 c) bpm [g/km] 2 2 3 4 v śr [km/h] Rys. 2. Zależność średniej emisji drogowej od średniej prędkości ruchu pojazdów dla kategorii pojazdów: a) węglowodory samochody osobowe, b) tlenki azotu samochody ciężarowe, c) cząstki stałe autobusy miejskie. Punkty dla modeli ruchu w miastach, linia aproksymacja funkcją wielomianową Całkowita emisja m z N pojazdów kategorii może być wyznaczona z wzoru [3] 2 b R s m = b s N = () vśr gdzie: b średnia emisja drogowa z pojazdu, E średnie natężenie emisji, N liczba pojazdów w kategorii, s droga kontrolnego odcinka skrzyżowań, R natężenie ruchu pojazdów, v śr średnia prędkość ruchu pojazdów. Całkowita emisja ze wszystkich kategorii jest sumą emisji z poszczególnych kategorii. 39
Średnie natężenie emisji z N pojazdów kategorii wynosi m E = = b R s (2) T gdzie: T czas przejazdu pojazdu przez odcinek kontrolny skrzyżowań Całkowite średnie natężenie emisji ze wszystkich kategorii jest sumą średnich natężeń emisji z poszczególnych kategorii. Całkowite średnie natężenie emisji zanieczyszczeń ze wszystkich kategorii jest wielkością, stanowiącą kryterium oceny oddziaływania na środowisko motoryzacji w rozpatrywanym rejonie. 2. Badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się w rejonie analizowanych skrzyżowań Jako przykład badań symulacyjnych z wykorzystaniem opracowanej metodyki przedstawiono wyniki badań emisji substancji szkodliwych dla środowiska ze względu na organizację ruchu pojazdów na skrzyżowaniach ul. Królowej Jadwigi z ul. Strzelecką oraz ul. Garbary z ul. Krakowską w Poznaniu (rysunek 3). Badania wykonano w firmie NH Polska z Przeźmierowa pod Poznaniem [2, 3]. Rozpatrywano warianty organizacji ruchu, których propozycję przedstawił Zarząd Dróg Miejskich w Poznaniu. Pierwszy wariant (oznaczenie I) dotyczy dotychczasowego stanu, drugi (II) modernizacji skrzyżowań i sterowania ruchu. Trzeci wariant (III) dotyczy sytuacji modernizacji skrzyżowań, jak w wariancie drugim, oraz zamknięcia mostu Królowej Jadwigi. Modernizacja skrzyżowań polega na [2, 3]: poszerzeniu wlotu ul. Strzeleckiej z jednego pasa ruchu do trzech, poszerzeniu wlotu ul. Królowej Jadwigi (od strony zjazdu z Mostu Królowej Jadwigi), zmianie sposobu sterowania ruchem na obu skrzyżowaniach ze stałoczasowego na acykliczne przy zastosowaniu algorytmu sterowania typu Flecs firmy NH Polska. Rys. 3. Schemat rejonu analizowanych skrzyżowań 4
Dane wejściowe do modelu zostały przyjęte po uzgodnieniach z Zarządem Dróg Miejskich w Poznaniu: dla analizowanych wariantów organizacji ruchu jest taka struktura pojazdów, natomiast natężenia ruchu są takie same dla wariantu I i II, natomiast dla III są o około 2% większe (w związku z planowanym zamknięciem mostu). Modelowano ruch na poszczególnych pasmach ruchu z uwzględnieniem zróżnicowania natężenia ruchu i prędkości pojazdów każdej z rozpatrywanych kategorii. Wartości prędkości średniej pojazdów i średnich emisji drogowych zanieczyszczeń wyznaczano jako kombinacje liniowe uśrednianych wartości, odpowiadających poszczególnym pasmom ruchu, oraz natężeń ruchu na tych pasmach. Na rysunku 4 przedstawiono prędkość dla kategorii pojazdów i wariantów ruchu z uwzględnieniem natężenia ruchu, a na rysunku 5 średnie globalne natężenie emisji zanieczyszczeń w analizowanym rejonie. vśr [km/h] 25 2 5 5 SO SC AM Rys. 4. Średnia prędkość dla kategorii pojazdów i wariantów ruchu z uwzględnieniem natężenia ruchu 5 4,8 ECO [g/s] 3 2 EHC [g/s],6,4,2,5,2 ENOx [g/s],5 EPM [g/s],8,4 Rys. 5. Średnie globalne natężenie emisji zanieczyszczeń w analizowanym rejonie 4
W wyniku modyfikacji organizacji ruchu na skrzyżowaniu nastąpiło wyraźne zwiększenie średniej prędkości ruchu. Zwiększenie się średniej prędkości ruchu, związane z jej większą stabilizacją, powoduje znaczne zmniejszenie emisji zanieczyszczeń. Natomiast zamknięcie mostu powoduje zwiększenie emisji zanieczyszczeń, nie tylko z powodu zmniejszenia się prędkości średniej, ale i zwiększenia się natężenia ruchu. Jako miarę zmiany oddziaływania motoryzacji na środowisko ze względu na emisję spalin przyjęto względną zmianę całkowitego natężenia emisji E E i j δei j = (3) E j gdzie: i, j warianty organizacji ruchu. Na skutek zmian organizacji ruchu stwierdza się wymierne zmiany średniego globalnego natężenia emisji zanieczyszczeń z pojazdów w analizowanym rejonie: zmniejszenie w wypadku modyfikacji organizacji ruchu oraz zwiększenia w wypadku zamknięcia mostu rysunek 6. 6% 4% δeii-i 4% 2% δeiii-i 3% 2% % % CO HC NOx PM % CO HC NOx PM Rys. 6. Zmiana względnego natężenia emisji zanieczyszczeń dla zmian wariantu organizacji ruchu: z I na II oraz z I na III 3. Uwagi końcowe Przedstawiony przykład badania emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się w rejonie rozpatrywanych skrzyżowań wykazuje, że zaproponowana metodyka badawcza jest skutecznym narzędziem do oceny podejmowanych przedsięwzięć zmian organizacji ruchu. Zmiana organizacji ruchu na rozpatrywanych skrzyżowaniach powoduje zmianę charakteru jazdy pojazdów, znamienną większą stabilizacją prędkości, i w konsekwencji: zwiększenie średniej prędkości jazdy z uwzględnieniem natężenia ruchu rzędu (5 2)%: około 2% dla samochodów osobowych oraz (5 6)% dla samochodów ciężarowych i autobusów; zmniejszenie natężenia emisji substancji szkodliwych dla środowiska rzędu 5% dla tlenku węgla, węglowodorów i cząstek stałych oraz 3% dla tlenków azotu. Zmiana warunków ruchu na rozpatrywanych skrzyżowaniach na skutek zamknięcia mostu przy założeniu dokonania zmian organizacji ruchu powoduje zmianę charakteru jazdy pojazdów, znamienną mniejszą stabilizacją prędkości i w konsekwencji: zmniejszenie średniej prędkości jazdy z uwzględnieniem natężenia ruchu rzędu (25 3)%: około 3% dla samochodów osobowych i ciężarowych oraz około 25% dla autobusów; 42
zwiększenie natężenia emisji substancji szkodliwych dla środowiska rzędu (25 3)%, najwięcej dla tlenku węgla. W wyniku przeprowadzonych badań symulacyjnych można sformułować wniosek, że zmiana organizacji ruchu w rejonie rozpatrywanych skrzyżowań spowoduje znaczące zmniejszenie emisji globalnej substancji szkodliwych dla środowiska z pojazdów zaś zmiana warunków ruchu na skutek zamknięcia mostu nawet ze zmianą organizacji ruchu spowoduje duże zwiększenie emisji. Wyniki badań symulacyjnych są zgodne ze stanem wiedzy na temat zanieczyszczenia środowiska spalinami z silników pojazdów: na natężenie emisji globalnej mają wpływ przede wszystkim: ekstensywny natężenie ruchu pojazdów, intensywny ekologiczne właściwości pojazdów, które to właściwości ulegają znacznemu pogorszeniu w ruchu w miastach na skutek zmniejszenia stabilności jazdy, szczególnie dla substancji o właściwościach redukujących: tlenku węgla, węglowodorów i cząstek stałych. Zaproponowany sposób modelowania emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się w rejonie rozpatrywanych skrzyżowań może być wykorzystany do m.in.: oceny skuteczności zmiany organizacji ruchu ze względu nie tylko na przepustowość skrzyżowań (natężenie ruchu, czas przejazdu przez skrzyżowania), ale i ze względu na emisję zanieczyszczeń, optymalizacji sterowania ruchu na skrzyżowaniach ze względu na minimalizację natężenia emisji substancji szkodliwych dla środowiska w zależności od natężenia ruchu. W celu realizacji tych zadań w sposób sformalizowany, a nie intuicyjny, jest konieczne przyjęcie kryteriów, uzasadnionych wymaganiami praktycznymi. Przede wszystkim konieczne jest wykonanie dla typowych warunków konfiguracji skrzyżowań, struktury i natężeń ruchu badań modelu emisji zanieczyszczeń, m.in.: analizy modelu, identyfikacji nie znanych parametrów modelu, analizy wrażliwości modelu. Istotnym problemem pozostaje opracowanie kryteriów kompleksowej oceny organizacji ruchu ze względu na jakość zadań transportowych oraz ze względu na oddziaływanie na środowisko. Dotychczasowe wyniki badań modelu emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się w rejonie skrzyżowań należy uznać za obiecujące. Piśmiennictwo. BUWAL, INFRAS AG: Luftschadstoffemissionen des Strassenverkehrs 95 2. BUWAL Bericht Nr. 255. 995. 2. Chłopek Z., Polichnowski T.: Emisja substancji szkodliwych dla środowiska z pojazdów poruszających się na skrzyżowaniach. Polskie Drogi Nr 4(9). 3. Chłopek Z., Polichnowski T.: Modelowanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów poruszających się na skrzyżowaniach. Archiwum Motoryzacji (praca w druku). 4. Chłopek Z.: Badania modelu globalnej emisji spalin z silników pojazdów drogowych. Chemia i Inżynieria Ekologiczna T. 6, Nr 8/999. 5. Chłopek Z.: Główne problemy modelowania emisji substancji szkodliwych dla środowiska z silników spalinowych. Komitet Transportu PAN. MODES Modelowanie Systemów Energetycznych z Silnikami Spalinowymi Konferencja Naukowa dla uczczenia 7 lecia Profesora Mariana Cichego. Gdańsk 2. 43
6. Chłopek Z.: Modelowanie emisji globalnej spalin z silników pojazdów drogowych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej 4(35)/99. 7. Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria Mechanika z. 73. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 999. 8. Chłopek Z.: Ocena wpływu organizacji ruchu pojazdów drogowych na globalną emisję substancji szkodliwych dla środowiska naturalnego. Chemia i Inżynieria Ekologiczna T. 7, Nr 7/2. 9. COPERT III Methodology and Emission Factors. European Environment Agency. European Topic Center on Air Emission. 2.. INFRAS AG: Handbuch für Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs. Version.2. Bern 999.. Joumard R.: Methods of estimation of atmospheric emissions from transport: European scientist network and scientific state of the art. INRETS report LTE 99. Bron, France and European Commission. DG Transport EUR 892. Luxembourg 999. 2. Samaras Z., Zierock K. H.: COPERT: Computer programme to calculate emissions from road traffic in computer techniques in environmental studes III.Computational Mechanics Publications Springer Verlag 99. 44