Spis treści Symbole i oznaczenia Wprowadzenie Metodyka badań Analiza warunków pracy pojazdów samochodowych...

Spis treści Symbole i oznaczenia... 5 1. Wprowadzenie... 7 2. Metodyka badań... 19 3. Analiza warunków pracy pojazdów samochodowych... 25 3.1. Pojazdy lekkie... 25 3.1.1. Charakterystyka ruchu drogowego w centrum miasta... 25 3.1.2. Parametry ruchu pojazdów w dużych aglomeracjach miejskich... 3 3.1.3. Parametry ruchu pojazdów na trasie pozamiejskiej... 34 3.2. Pojazdy ciężkie... 41 3.3. Autobusy... 42 4. Wyznaczanie emisji spalin z pojazdów w różnych warunkach ruchu drogowego... 49 4.1. Pojazdy lekkie... 49 4.1.1. Zagadnienia wstępne... 49 4.1.2. Pojazdy zasilane silnikami benzynowymi... 5 4.1.3. Pojazdy zasilane silnikami Diesla... 66 4.2. Pojazdy ciężkie... 74 4.3. Autobusy... 82 4.4. Możliwości przeliczania wartości emisji zanieczyszczeń... 94 5. Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów... 17 5.1. Pochylenie wzdłużne drogi... 17 5.2. Styl jazdy kierowcy... 117 5.2.1. Pojazdy lekkie... 117 4.1.2. Pojazdy ciężkie... 122 5.3. Obciążenie pojazdu ładunkiem... 124 6. Podsumowanie... 129 Literatura... 131

Symbole i oznaczenia CAFE Cleaner Air for Europe czyste powietrze dla Europy CO tlenek węgla CO 2 dwutlenek węgla DPF Diesel Particulate Filter filtr cząstek stałych do silników ZS ECE Economic Commission for Europe Europejska Komisja Gospodarcza EEV Enhanced Environmentally Friendly Vehicle pojazd przyjazny środowisku EGR Exhaust Gas Recirculation recyrkulacja spalin EOBD European On-Board Diagnostic europejski system diagnostyki pokładowej EUDC Extra Urban Drive Cycle pozamiejski europejski test jezdny FC Fuel Consumption zużycie paliwa HC węglowodory HDD Heavy Duty Diesel silnik do pojazdów ciężarowych HDV Heavy Duty Vehicle ciężki pojazd ciężarowy HEV Hybrid Electric Vehicle hybrydowy pojazd elektryczny LDD Light Duty Diesel silnik ZS do lekkich pojazdów użytkowych LDV Light Duty Vehicle lekki pojazd użytkowy 12 osób m masa całkowita pojazdu n prędkość obrotowa NDIR Non-Dispersive Infrared analizator niedyspersyjny na podczerwień N e moc użyteczna NEDC New European Driving Cycle nowy europejski cykl jezdny zmodyfikowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem spalin NMHC Non-Methane Hydrocarbons węglowodory bez udziału metanu NO x tlenki azotu OBD On Board Diagnostic diagnostyka pokładowa PC Passenger Car samochód osobowy PEMS Portable Emission Measurement System mobilny system pomiar emisji zanieczyszczeń PM Particulatte Matter cząstki stałe

6 Symbole i oznaczenia RDE SCR SUV UDC u i V s ZI ZS Real Driving Emissions rzeczywista emisja podczas jazdy Selective Catalytic Reduction selektywna katalityczna redukcja Sport Utility Vehicle pojazd sportowo-użytkowy Urban Driving Cycle europejski miejski cykl jezdny udział czasu pracy w i-tej fazie badań objętość skokowa silnika silnik o zapłonie iskrowym silnik o zapłonie samoczynnym

1 Wprowadzenie Jakość powietrza w Europie znacznie się poprawiła, odkąd w latach 7. XX wieku w Unii Europejskiej zaczęto ograniczać stężenia takich substancji, jak dwutlenek siarki, tlenek węgla, benzen i ołów. W Unii Europejskiej dysponuje się trzema różnymi mechanizmami prawnymi umożliwiającymi ograniczanie zanieczyszczenia powietrza. Są to: definiowanie ogólnych norm jakości powietrza dotyczących stężenia zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym; określanie (krajowych) wartości granicznych łącznej emisji zanieczyszczeń; oraz opracowywanie prawodawstwa dotyczącego określonych źródeł zanieczyszczeń, na przykład dotyczącego kontroli emisji przemysłowych lub określania norm dotyczących emisji zanieczyszczeń przez pojazdy, efektywności energetycznej lub jakości paliw. Prawodawstwo to uzupełniają strategie i środki umożliwiające propagowanie ochrony środowiska i ich uwzględnianie w sektorze transportu i energetyki. Podstawowym aktem prawa europejskiego, określającym wymagania w zakresie ochrony powietrza w państwach członkowskich Unii Europejskiej jest dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 28/5/WE [8] w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy (CAFE cleaner air for Europe). W dyrektywie wprowadzono kontrolę, oprócz związków gazowych, dodatkowo cząstek stałych. Uzupełnieniem jest prawnie niewiążący cel dotyczący ograniczenia cząstek stałych PM2,5 w latach od 21 do 22 w każdym państwie członkowskim, na podstawie danych pomiarowych (tabl. 1.1). Podstawowymi celami Dyrektywy CAFE są: 1) określenie wartości dotyczących jakości powietrza, wyznaczonych w taki sposób, aby unikać, zapobiegać lub ograniczać szkodliwe oddziaływanie na zdrowie ludzi i środowisko jako całość, 2) ocena jakości powietrza w państwach członkowskich na podstawie wspólnych metod i kryteriów, 3) uzyskiwanie informacji na temat jakości powietrza, pomocnych w walce z zanieczyszczeniami powietrza i uciążliwościami oraz w monitorowaniu długo-

8 Wprowadzenie terminowych trendów i poprawy stanu powietrza wynikających z realizacji środków krajowych i wspólnotowych, 4) zapewnienie, aby informacja na temat jakości powietrza była udostępniana społeczeństwu, 5) utrzymanie jakości powietrza, tam gdzie jest ona dobra, oraz jej poprawę w pozostałych przypadkach, 6) promowanie ścisłej współpracy pomiędzy państwami członkowskimi w zakresie ograniczania zanieczyszczenia powietrza. Tablica 1.1. Dopuszczalne wartości stężenia wybranych zanieczyszczeń powietrza ustalone w dyrektywie 28/5/WE [8] Zanieczyszczenie Stężenie dopuszczalne [ g/m 3 ] 1-godzinne 8-godzinne 24-godzinne średnioroczne CO 7/5 * SO 2 75/5 ** 2 NO 2 14/1 *** 32/26 PM1 35/25 **** 28/2 PM2,5 17/12 Ołów,35/,25 Benzen 3,5/2, * Górny/dolny przedział oszacowania. ** Nie może zostać przekroczona więcej niż 3 razy w roku kalendarzowym. *** Nie może zostać przekroczona więcej niż 18 razy w roku kalendarzowym. **** Nie może zostać przekroczona więcej niż 35 razy w roku kalendarzowym. W dyrektywie w sprawie jakości powietrza (28/WE/5), UE wyznaczyła dwie wartości graniczne dla dwutlenku siarki (SO 2 ) dotyczące ochrony zdrowia człowieka w strefach wyznaczonych przez państwa członkowskie: średnie dopuszczalne stężenie 24-godzinne nie może przekraczać 75 g/m 3 (górny przedział szacowania) oraz 5 g/m 3 (dolny przedział szacowania) (rys. 1.1). Dla dwutlenku azotu natomiast w dyrektywie wyznaczono dwie wartości graniczne w celu ochrony zdrowia ludzi: NO 2 godzinowa średnia wartość nie może przekraczać 14 g/m 3 więcej niż 18 razy w roku (dla górnego przedziału szacowania). Tylko w niewielkim obszarze Polski w obszarze górskim jest ten limit przekroczony (rys. 1.2). W 21 r. na stężenia cząstek PM1 było narażone 21% ludności miejskiej na poziomach wyższych niż dopuszczalne w UE dzienne wartości (rys. 1.3 i 1.4). Do 3% ludności miejskiej było narażone na zbyt wysokie stężenia drobniejszych cząstek PM2,5 (rys. 1.5). Według poziomów odniesienia WHO, bardziej rygorystycznych niż w przepisach UE, odpowiednio do 81% i 95% miesz-

Wprowadzenie 9 Rys. 1.1. Wartości stężenia dwutlenku siarki w Europie w roku 212: kraje nieoceniane, brak danych, stężenie mniejsze niż limit, stężenie większe niż limit Rys. 1.2. Wartości stężenia dwutlenku azotu w Europie w roku 212: kraje nie oceniane, brak danych, stężenie mniejsze niż limit, stężenie większe niż limit, stężenie w granicach limitu i błędu pomiaru, stężenie większe niż limit powiększone o limit błędu Rys. 1.3. Wartości stężenia cząstek stałych PM1 w Europie w roku 211: mniejsze niż 2 g/m 3, z zakresu 2 31 g/m 3, z zakresu 31 1 g/m 3, z zakresu 4 5 g/m 3, większe niż 5 g/m 3 [1] Rys. 1.4. Wartości stężenia cząstek stałych PM1 w Europie w roku 212: kraje nieoceniane, brak danych, stężenie mniejsze niż limit, stężenie większe niż limit

1 Wprowadzenie Rys. 1.5. Wartości stężenia cząstek stałych PM2,5 w Europie w roku 211: mniejsze niż 1 g/m 3, z zakresu 1 2 g/m 3, z zakresu 2 25 g/m 3, z zakresu 25 g/m 3, większe niż 3 g/m 3 [1] Rys. 1.6. Klasyfikacja stref cząstek stałych PM2,5 dla Polski w roku 21 kańców miast było narażonych na stężenia przekraczające wartości odniesienia wyznaczone w celu ochrony zdrowia ludzkiego [33]. Najczęściej wartość rocznego limitu dla PM 1 była przekraczana w Polsce, Włoszech, Słowacji, na Bałkanach, w Turcji i w kilku innych regionach miejskich. Podstawowy cel Dyrektywy CAFE, jakim jest zapobieganie i ograniczanie szkodliwego oddziaływania zanieczyszczeń powietrza na zdrowie ludzi i środowisko, jako całość nie został w Polsce osiągnięty. Wpłynęła na to spóźniona i nie do końca poprawna transpozycja Dyrektywy CAFE do prawa polskiego oraz, w konsekwencji, spóźniona implementacja. Należy przede wszystkim wskazać na naruszenia zobowiązań gwarantujących, że wartości substancji w powietrzu nie przekroczą wartości dopuszczalnych. Z oceny za 211 rok wynika, że w każdej strefie odnotowano przekroczenie wartości normatywnych stężeń dla jednego lub więcej zanieczyszczenia, skutkujące zakwalifikowaniem strefy do klasy C dla tego zanieczyszczenia. W strefach zaliczonych do klasy C wymagane jest prowadzenie działań mających na celu osiągnięcie poziomów dopuszczalnych lub poziomów docelowych substancji w powietrzu (m.in. w ramach programów ochrony powietrza) w odniesieniu do substancji i obszarów, dla których stwierdzono przekroczenia odpowiednich wartości kryterialnych stężeń. Dość duża liczba stref została zaliczona do klasy C dla cząstek stałych PM2,5 (rys. 1.6). Przekroczenia wartości kryterialnej kwalifikujące strefę do klasy C (poziomu dopuszczalnego powiększonego o margines tolerancji) odnotowano

Wprowadzenie 11 w 21 strefach (ok. 46% wszystkich). Sześć stref zaliczono do klasy B. Łączna liczba stref w klasie B i C (oznaczająca wystąpienie w strefie przekroczenia poziomu dopuszczalnego) była podobna jak w ocenie za 21 rok. Rezultaty oceny dokonanej w oparciu o kryteria ustanowione w celu ochrony zdrowia za 211 rok są zbliżone do uzyskanych w wyniku rocznej oceny jakości powietrza za 21 rok, prowadzonej w tym samym układzie stref w kraju [36]. W Polsce obowiązującym dokumentem prawnym określającym wartości graniczne stężeń substancji obecnych w powietrzu było Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 28.4.1998 r. w sprawie dopuszczalnych wartości stężeń substancji zanieczyszczających w powietrzu [36]. W rozporządzeniu określono poziomy stężeń granicznych dla terenu całej Polski (tabl. 1.2) z wyróżnieniem obszarów podlegających szczególnej ochronie, takich jak: parki narodowe, leśne kompleksy i promocyjne pomniki historii wpisane na listę światowego dziedzictwa. Dopuszczalne stężenia odnoszą się do czterech okresów uśrednienia: 3 min (chwilowe), 8 h (dotyczy tylko stężenia ozonu), 24 h (średniodobowe), oraz roku (średnioroczne). Tablica 1.2. Dopuszczalne wartości stężenia wybranych zanieczyszczeń powietrza obowiązujące na terenie Polski [36] Zanieczyszczenie Stężenie dopuszczalne [ g/m 3 ] średnioroczne 24-godzinne 8-godzinne 3-minutowe CO 2 4 15 5 NO 2 4 15 5 CO 2 5 2 PM1 5 (2 od 21 r.) 125 (5 od 25 r.) 28 * PM 75 15 35 * O 3 11 ** * Wielkość normowana tylko w celach obliczeniowych. ** Dopuszczalna wartość stężenia w odniesieniu do przedziału czasowego 1. 18.. Podstawą europejskiej polityki ochrony środowiska są programy działania. Oficjalnie nie są one wiążące dla państw członkowskich stanowią jedynie zalecenia kierunków rozwoju polityki ochrony środowiska. Są podstawą do dyskusji nad odpowiednimi aktami regulującymi ochronę środowiska w krajach Unii Europejskiej. Pod koniec 213 r. Komisja zaproponowała nowy pakiet polityki dotyczący czystego powietrza z dwoma kluczowymi celami, tj. zachowaniem zgodności z obowiązującym prawodawstwem do 22 r. i ograniczeniem długoterminowe-

12 Wprowadzenie go wpływu zanieczyszczenia powietrza [12]. Pakiet ten zawiera nowy program Czyste powietrze dla Europy, w którym opisano ten problem i środki polityczne niezbędne do osiągnięcia nowych celów śródokresowych, aby ograniczyć negatywny wpływ zanieczyszczeń na zdrowie i środowisko do 23 r. Proponuje się w nim przegląd dyrektywy w sprawie krajowych poziomów emisji i uaktualnienie krajowych pułapów na lata 22 i 23 dla czterech obecnie uwzględnionych zanieczyszczeń, a także dwóch dodatkowych, tj. drobnych cząstek stałych i metanu. W pakiecie uwzględniono również wniosek dotyczący nowej dyrektywy w sprawie ograniczenia emisji niektórych zanieczyszczeń do powietrza ze średnich obiektów energetycznego spalania (jako uzupełnienie już obowiązujących przepisów dotyczących dużych obiektów energetycznego spalania) oraz wniosek o ratyfikację zmienionego protokołu z Göteborga do konwencji Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ (EKG ONZ) w sprawie transgranicznego zanieczyszczania powietrza na dalekie odległości, którego celem jest przeciwdziałanie zakwaszeniu, eutrofizacji i powstawaniu ozonu w warstwie przyziemnej. Sektor transportu jest drugim co do wielkości źródłem emisji zanieczyszczeń w Unii Europejskiej. Mimo podejmowanych działań udział transportu w ogólnej emisji wciąż rośnie. W samym sektorze transportowym największym źródłem odpowiedzialnym za emisję gazów cieplarnianych jest transport drogowy. I choć skoordynowany program polityki klimatycznej został przyjęty dopiero w 27 r., pierwsze regulacje unijne nakierowane na ograniczanie emisji zanieczyszczeń przez pojazdy w transporcie drogowym powstały w latach 7. XX wieku. Obecny kształt działań UE na rzecz zmniejszenia emisyjności transportu drogowego nie ogranicza się wyłącznie do programów i regulacji służących kształtowaniu technicznej (konstrukcyjnej) strony pojazdów ich energooszczędności i emisyjności. Przyjęte dyrektywy ograniczają zanieczyszczenia powodowane przez transport, przez określenie norm emisji składników spalin dla różnych kategorii pojazdów, takich jak samochody osobowe, lekkie pojazdy użytkowe, samochody ciężarowe, autobusy i motocykle oraz uregulowanie jakości paliwa. Aktualnie obowiązująca norma emisji dla samochodów osobowych to Euro 6. Określono w niej wartości graniczne emisji dla kilku zanieczyszczeń powietrza, w szczególności tlenków azotu i cząstek stałych. Państwa członkowskie są zobowiązane odmówić udzielenia homologacji typu, rejestracji, sprzedaży i wprowadzenia pojazdów (i urządzeń ograniczających emisję zanieczyszczeń jako części zamiennych), które przekraczają te wartości graniczne. Norma ta zawiera również klauzulę przeglądową dotyczącą cyklu jezdnego i procedury badania, w celu dopilnowania, aby badania odbywały się w rzeczywistych warunkach drogowych. W rozporządzeniu (WE) nr 595/29 [37], określono wartości graniczne emisji dla pojazdów ciężarowych o dużej ładowności (autobusów i samochodów ciężarowych). Obecnie obowiązującą normą jest norma Euro VI.

Wprowadzenie 13 W swoim komunikacie CARS 22 [7] Komisja zwróciła uwagę na niedociągnięcia w obecnych procedurach i zobowiązała się do wprowadzenia nowej procedury badania w ramach homologacji typu w celu oceny poziomu emisji zanieczyszczeń z pojazdów samochodowych w rzeczywistych warunkach jazdy. Wartości emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach jazdy (RDE Real Driving Emissions) będą rejestrowane i przekazywane do organów Komisji Europejskiej, a najpóźniej po trzech latach procedura RDE będzie stosowana do homologacji typu, wraz z ustalonymi poziomami emisji dopuszczalnej. W związku z przyszłymi wymaganiami odnośnie zwiększonej ochrony środowiska naturalnego oraz pomiarów emisji zanieczyszczeń z pojazdów samochodowych w rzeczywistych warunkach ruchu, w niniejszej pracy zwrócono uwagę na wpływ topografii terenu, w której wyznaczane są wartości emisji zanieczyszczeń z pojazdów. Dotychczasowe badania i wyniki publikowane w literaturze odnoszą się do terenów płaskich lub wpływ topografii na emisję szkodliwych składników spalin jest pominięty. Jednakże znaczne zróżnicowanie terenu, w którym dokonuje się pomiarów emisji zanieczyszczeń z pojazdów może mieć znaczący wpływ na uzyskiwane rezultaty. Instytucje zajmujące się ustawodawstwem prawnym dążą do kreowania przepisów związanych z ograniczaniem uciążliwości transportu drogowego. Szczególną troską w tym aspekcie otacza się ścisłe centrum miasta, przejścia dróg tranzytowych przez miasto, drogi w strefach intensywnej zabudowy oraz obwodnice. Działania związane z ograniczaniem negatywnego oddziaływania transportu na środowisko naturalne są wymuszone takimi aspektami, jak: wzrost natężenia ruchu pojazdów na drogach wszystkich kategorii; rozwój badań naukowych dotyczących niekorzystnych skutków zanieczyszczeń i możliwości ich ograniczania; wzrost wiedzy i wrażliwości społeczeństwa na zagrożenia, jakie wywołuje wdychanie szkodliwych produktów spalania paliw silnikowych. Niektóre frakcje szkodliwych składników spalin, ze względu na swe właściwości, unoszą się w powietrzu przez bardzo długi okres, a układ immunologiczny człowieka nie jest w stanie sobie z nimi poradzić. Dotyczy to przede wszystkim cząstek stałych, które Światowa Organizacja Zdrowia określiła jako rakotwórcze. Szczególnie niebezpieczne są cząstki stałe o najmniejszych średnicach (potocznie nazywane nanocząstkami), emitowane przez silniki o zapłonie samoczynnym wyposażone w filtry cząstek stałych. Aspekty ochrony zdrowia ludzkiego, przeciwdziałanie produkcji gazów cieplarnianych oraz zmniejszania zużycia paliwa kopalnych, prowadzą do coraz bardziej drastycznego ograniczania zużycia paliwa i emisji związków szkodliwych spalin, co znajduje także formalne umocowanie w coraz bardziej rygorystycznych normach emisji spalin. Dopuszczalne wartości emisji NO x przez pojazdy klasy PC i LDV wynikające z różnych norm emisji spalin obowiązujących w USA, Europie oraz Japonii, przedstawiono na rys. 1.7. Przejście z normy Euro 5 na Euro 6 jest szczególnie trudne w grupie pojazdów z silnikami ZS, ponieważ emisja NO x jest ograniczona z dotychczasowych 18 mg/km do 8 mg/km. Dla cząstek stałych wartości

14 Wprowadzenie dopuszczalne wynoszą odpowiednio: 25 mg/km i 5 mg/km. Z tego powodu wprowadzenie normy Euro 6 stanowi wyzwanie nie tylko dla producentów pojazdów i układów oczyszczania spalin, ale także dla producentów aparatury umożliwiającej pomiar bardzo małych stężeń szkodliwych produktów spalania. 5 5 ZI ZS NOx [mg/km] 4 3 2 1 15 8 25 18 8 8 5 4 6 6 5 5 4 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 Japonia USA Kalifornia (21) (26) (21) (215) (215) (215) (215) Rys. 1.7. Limity emisji NO x dla pojazdów typu PC i LDV [41] Zużycie paliwa jest ściśle powiązane z emisją CO 2 należącego do tzw. gazów cieplarnianych. Ponieważ emisja CO 2 z pojazdów klasy PC i LDV stanowi 15% całkowitej emisji CO 2 na terenie Unii Europejskiej, ustalono limity emisji tego gazu dla wspomnianych typów pojazdów. Limity te są definiowane, jako średnia wartość emisji tego składnika dla floty nowo rejestrowanych pojazdów danego producenta. Owe wartości wynoszą 13 g/km od roku 215, 95 g/km od roku 22 oraz 1 g/km po roku 25 [14]. Jednak, według najnowszych prognoz niezależnych firm, średnia emisja CO 2 dla floty pojazdów danego producenta w roku 25 nie będzie mniejsza niż 4 g/km [42]. Na rysunku 1.8 przedstawiono prognozowane zestawienie zapotrzebowania na benzynę, olej napędowy i gaz ciekły (LPG) oraz gaz ziemny (CNG) przez transport drogowy w Polsce w latach 21-23. Przyczyną takiej tendencji w wykorzystaniu produktów ropopochodnych jest przede wszystkim zmniejszanie zużycia paliwa przez budowę bardziej oszczędnych silników spalinowych oraz przez zwiększanie udziału pojazdów hybrydowych (w szczególności micro- i mild hybrid). Ponadto zwiększa się udział paliw odnawialnych pochodzących z przetwórstwa produktów pochodzenia roślinnego i biomasy. Metodą odzwierciedlającą stan faktyczny emisji szkodliwych składników spalin do środowiska naturalnego są badania prowadzone w warunkach rzeczywistej eksploatacji środków transportu. Drogowe badania emisyjności środków transportu, na świecie uznawane są za nowatorskie i potrzebne. Zaletą tych badań jest pomiar emisji oraz zużycia paliwa pojazdu w warunkach rzeczywistej eksploatacji, a nie na stanowisku badawczym, przy ściśle określonych warunkach otoczenia. Najbardziej newralgiczne w zakresie emisji oraz zużycia paliwa

Zużycie paliw [mln ton] Wprowadzenie 15 są przyspieszania oraz jazda pojazdów z prędkościami maksymalnymi. Wymienione elementy jazdy determinują obciążenie jednostki napędowej oraz udział faz przejściowych w całkowitym czasie pracy silnika. Dodatkowo punkty pracy silnika tj. zakres obciążenia i prędkości obrotowej wału korbowego silnika podczas rzeczywistej eksploatacji znacznie się różnią od punktów pracy silnika podczas wykonywania testu homologacyjnego. Ponadto, w przypadku badań rzeczywistych, można w dowolny wybierać trasę przejazdu oraz obciążenie badanego pojazdu. 14 12 1 8 6 Olej napędowy Benzyna Gaz ciekły (LPG) Gaz ziemny (CNG) 4 2 21 215 22 225 23 Lata Rys. 1.8. Prognozowane zużycie paliw w Polsce [4] Aparatura naukowo-badawcza opracowana w nowej technologii umożliwia wykonywanie oceny energochłonności całych pojazdów, z jednoczesnym dokładnym zapisem drogi przebytej przez badany pojazd. Ponadto dodatkowe moduły wchodzące w skład mobilnych urządzeń do pomiaru emisji związków szkodliwych spalin umożliwiają m. in.: zapis wartości temperatury i ciśnienia otoczenia oraz połączenie z układem diagnostyki pokładowej pojazdu w celu zapisu parametrów pracy silnika spalinowego podczas badań. Najnowsza aparatura typu PEMS (Portable Emission Measurement System) umożliwia pomiar związków emitowanych przez silniki spalinowe [17, 18, 21, 22, 25, 29, 3], przy czym pomiar może być realizowany z rozcieńczeniem lub bez rozcieńczenia pobieranej próbki spalin. Tego typu badania są prowadzone m.in. w Instytucie Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej. Badania te obejmują: emisje związków gazowych (łącznie z węglowodorami pochodzenia niemetanowego); emisji cząstek stałych; rozkład wymiarowy cząstek stałych, liczbę cząstek stałych; zadymienie spalin. Analizie poddane mogą być spaliny z silników zasilanych różnymi rodzajami paliw ciekłych i gazowych [23]. Uzasadnieniem podjęcia tak szczegółowej analizy dla silnika spalinowego jest fakt, że najnowsze prognozy, pomimo pojawiania się doniesień o nowych

16 Wprowadzenie generacjach pojazdów wykorzystujących alternatywne układy napędowe, nie zakładają w najbliższym czasie wycofania silnika spalinowego z pojazdów. Przykładowo, na rysunku 1.9 przedstawiono prognozowany udział pojazdów wykorzystujących silniki spalinowe i inne źródła energii do napędu samochodów osobowych zarejestrowanych w Polsce na przestrzeni lat 21-23. Z tego rysunku wynika, że w roku 23 w Polsce w ponad 9% pojazdów do ich napędu będzie wykorzystywany silnik spalinowy i można przypuszczać, że w innych krajach silnik spalinowy także pozostanie dominującym źródłem napędu w samochodach osobowych oraz ciężarowych. Niniejsze dane potwierdza inna prognoza przygotowana przez firmę McKinsey, która zakłada, że w 23 roku ok. 87% pojazdów będzie napędzana silnikami spalinowymi. Liczba samochodów osobowych w Polsce [mln szt] 25 2 15 1 5 3,3 3,6 3,6 3,1 2,5 5,9 6,2 5,9 5, 3,9 1,5 11,1 11,7 12,2 12,6 21 215 22 225 23 Elektryczne CNG LPG ZS ZI Rys. 1.9. Stan liczby pojazdów w Polsce w roku 21 oraz prognozowana liczba pojazdów osobowych z podziałem na rodzaj użytego napędu w latach 215-23 [4] Stosowane powszechnie modele całkowitej emisji substancji szkodliwych spalin z pojazdów do środowiska mają złożoną strukturę matematyczną, a ich charakterystyki i parametry zależą od bardzo dużej liczby parametrów. Charakterystyki modeli emisji całkowitej są związkami aproksymującymi wyniki badań empirycznych w przestrzeni rozpatrywanych wielkości fizycznych. Z tych powodów najtrudniejszym zadaniem jest dostarczenie wiarygodnych danych do badania modelu emisji, tym bardziej, że oficjalne statystyki dotyczące transportu charakteryzują się wysokim poziomem ogólności i dotyczą np. liczności pojazdów. Niedokładności wyznaczenia wartości wejściowych modelu przyczyniają się do zwielokrotnienia błędu wyznaczania wartości wynikowych. Do modeli emisji związków szkodliwych spalin z pojazdów wprowadza się dane o strukturze pojazdów, ruchu pojazdów, intensywności i warunkach eksploatacji oraz o czasach postojów przed rozruchem. Wykorzystywane dane dotyczą wartości średnich (np. wartość średniej prędkości) i nie odzwierciedlają rzeczywistych warunków ruchu środków transportu. Wartości wynikowe otrzymywane z modeli są wartościami szacunkowymi, których zakres wykorzystania

Udział pojazdów [%] Udział pojazdów [%] Wprowadzenie 17 może być ograniczony. W świetle przytoczonych informacji poszukiwania nowych możliwości oceny zanieczyszczeń ze źródeł transportu są konieczne. Niedokładności związane z szacowaniem emisji związków szkodliwych spalin występują już dla pojedynczego pojazdu. W niniejszej pracy podjęto między innymi próbę oszacowania tej niedokładności, przyjmując do wyznaczenia dobowej emisji zanieczyszczeń, wartości emisji wyznaczonej w rzeczywistych warunkach ruchu. 5 212 Udział pojazdów [%] 4 3 2 1 Rodzaj pojazdów: Osobowe Dostawcze Ciężarowe Autobusy Euro Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 Motocykle Kategoria emisyjna pojazdów 6 5 4 22 Rodzaj pojazdów: 3 Osobowe 2 1 Dostawcze Ciężarowe Autobusy Euro Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 Motocykle Kategoria emisyjna pojazdów 6 5 4 23 Rodzaj pojazdów: 3 Osobowe 2 1 Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 Euro 7 Dostawcze Ciężarowe Autobusy Motocykle Kategoria emisyjna pojazdów Rys. 1.1. Zmiana struktury emisyjnej pojazdów w aglomeracji poznańskiej na przestrzeni lat 212-23 [28]

18 Wprowadzenie Do modelowania emisji związków szkodliwych użyto danych o udziale poszczególnych grup pojazdów w roku 212 oraz ich prognozowaną zmianę na lata 22-23 (rys. 1.1). Założono zmianę udziału poszczególnych kategorii emisyjnych w całkowitej grupie pojazdów przez stopniowe zmniejszenie udziału pojazdów spełniających wczesne normy emisyjne oraz zwiększenie udziału pojazdów spełniających najnowsze normy emisji spalin (w tym pojazdy hybrydowe i elektryczne). Wartości emisji drogowej zanieczyszczeń gazowych w poszczególnych kategoriach pojazdów można przyjąć według normy emisyjnej pojazdu (przy założeniu, że pojazd emituje zanieczyszczenia o wartości odpowiadającej wartości określonej w normie, którą musi spełniać) lub wyznaczyć na podstawie badań wykonanych w rzeczywistych warunkach ruchu analizowanej sieci ulicznej bądź drogowej. W monografii, na różnych etapach badań zobrazowano obie metodologie tj. według normy emisyjnej pojazdu jak również w warunkach ruchu analizowanej sieci ulicznej.

2 Metodyka badań Wzrastająca liczba pojazdów na świecie oraz zanieczyszczenie środowiska naturalnego powodują wzrost wymagań w zakresie emisji szkodliwych składników spalin. Problematyka monografii dotyczy aspektów bardzo ważnych w sensie ekologicznym, gdyż wpisuje się w nurt ochrony środowiska. Do realizacji zagadnienia wykorzystano dostępny potencjał badawczy w postaci mobilnych analizatorów spalin, mogących mierzyć gazowe szkodliwe składniki spalin. Wykorzystanie danych z pokładowego systemu pomiaru stężenia związków szkodliwych w powiązaniu z systemem diagnostycznym pojazdów zasilanych gazem ziemnym umożliwia ocenę ekologiczną środka transportu podczas jego eksploatacji. Wyznaczenie emisji składników spalin z dowolnego pojazdu lub silnika możliwe jest kilkoma sposobami: a) na podstawie badań na hamowni silnikowej określa się stężenie składników spalin; uwzględniając zgodnie z normą przeliczniki dotyczące charakterystycznych wielkości poszczególnych składników spalin oraz wykorzystując zmierzone wartości mocy silnika, możliwe staje się wyznaczenie emisji jednostkowej [g/(kwh)] danego składnika spalin, b) na podstawie badań na hamowni podwoziowej określa się emisję spalin w określonym teście jezdnym, i również na podstawie norm i regulaminów możliwe jest określenie emisji drogowej [g/km; g/test] danego składnika spalin, c) na podstawie badań drogowych określa się stężenie składników gazowych oraz masę i liczbę cząstek stałych, a przy uwzględnieniu wydatku spalin również emisję drogową tych składników. Wartości emisji zanieczyszczeń z pojazdów (lub silników) określone na podstawie przedstawionych metod nie mogą być ze sobą porównywane. Sposób i warunki przeprowadzania prób są odmienne, co powoduje brak ujednolicenia tych metod. W pracy przyjęto, że badania emisji spalin i zużycia paliwa prowadzone będą z wykorzystaniem mobilnego układu do pomiaru emisji zanieczyszczeń PEMS (Portable Emission Measurement System). System taki umożliwia pomiar wszystkich parametrów pracy silnika i pojazdu [1, 13]. Dopuszcza się

5 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 5.1. Pochylenie wzdłużne drogi Analizując dostępne opracowania naukowe związane z badaniami emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu pojazdów [2, 2, 31], można zauważyć, że badania prowadzone są głównie w miastach lub na płaskich drogach odpowiadających w pewnym stopniu przybliżonym warunkom homologacyjnych testów laboratoryjnych [3, 5]. W związku z potrzebą poszerzenia wiedzy na temat rzeczywistej emisji w każdych warunkach drogowych, przeprowadzono badania również w warunkach górskich z uwzględnieniem specyficznej infrastruktury. Rozważając układ sił działający na pojazd poruszający się po powierzchni o określonym nachyleniu zauważa się, iż ruch po płaskim i przy nachyleniu drogi skutkuje odmiennym obciążeniem pojazdu dla uzyskania tej samej prędkości [35]. Zasadnym wydaje się dokonanie oceny emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu, uwzględniając wpływ wybranych elementów infrastruktury drogowej (głównie nachylenie drogi), oraz porównanie rezultatów z testami drogowymi prowadzonymi w typowych (płaskich) warunkach odpowiadających homologacyjnym testom jezdnym. Wynikało to z coraz większego zaangażowania prac nad zmianą testu homologacyjnego przeznaczonego dla samochodów osobowych [6, 9, 11, 38, 39]. Celem badań była weryfikacja emisyjności pojazdu kategorii SUV (Sport Utylity Vehicle) z silnikiem o zapłonie iskrowym, spełniającego normę Euro 5, podczas rzeczywistych warunków ruchu drogowego. Wyznaczenie emisyjności w warunkach drogowych w zależności od topografii terenu i porównanie jej

18 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów z wartościami normatywnymi, pozwoliło na określenie wskaźnika umożliwiającego porównanie emisji zanieczyszczeń w warunkach o zróżnicowanej topografii terenu. Pomiarów emisyjności w warunkach drogowych dokonano w rzeczywistych warunkach ruchu (charakterystyka szczegółowa tabl. 5.1) na terenie płaskim oraz terenie górskim na obszarze województwa śląskiego [26]. Profile drogi były zróżnicowane pod względem ukształtowania terenu charakterystykę tras podano w tabl. 5.2. Tablica 5.1. Charakterystyka testów badawczych teren płaski i górzysty Parametry testu Teren płaski Teren górski Całkowity czas [s] 8724 3732 Prędkość maksymalna [km/h] 11 73 Prędkość średnia [km/h] 61,47 44,14 Długość [km] 131,29 45,76 Udział warunków pracy pojazdu V = [%] 32,59 35,49 V = const [%] 23,79 32,95 a > [%] 24,24 4,13 Tablica 5.2. Charakterystyka tras badawczych pod względem topografii terenu Parametr minimalna [m] Wysokość średnia [m] maksymalna [m] Nachylenie maksymalne wzrost [%] spadek [%] Teren płaski 228 275 356 5,9 7,8 Teren górski 439 637 93 28 25,2 Trasy badawcze dobrano pod kątem różnorodnych warunków topograficznych, głównie by móc uwzględnić wpływ nachylenia powierzchni drogi na wartości emisji zanieczyszczeń składników gazowych spalin. Wybrano dwie trasy różniące się średnim i lokalnym nachyleniem drogi, w celu określenia wpływu zmiany emisji zanieczyszczeń w warunkach małych i dużych wartości nachylenia powierzchni. Pochylenie poziome drogi (lub nachylenie trasy) oznacza w transporcie drogowym lub kolejowym różnicę wysokości między dwoma punktami drogi kołowej lub linii kolejowej, odniesioną do odległości dzielącej te punkty.

Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 19 Analiza trasy płaskiej uwidacznia niewielką jej zmienność wysokości (rys. 5.1a), a co z tym się wiąże niewielkie też były zmiany nachylenia drogi; maksymalna różnica wysokości to 125 m. Trasa górska charakteryzowała się większą zmiennością wysokości, dla której różnica między wartością maksymalną a minimalną wynosiła 491 m (rys. 5.1b). a) b) Rys. 5.1. Zmiana wysokości drogi w terenie: a) płaskim, b) górskim Charakterystyki zmienności terenu dokonano przez porównanie udziału nachylenia ujemnego i dodatniego w całej trasie pomiarowej. Charakterystykę taką uzyskano przez uszeregowanie wartości nachylenia w kolejności od najmniejszego (nachylenia ujemnego) do największego (dodatniego) oraz i nadając każdemu pojedynczemu nachyleniu wartość udziału w całej trasie (rys. 5.2). Zestawienie obu charakterystyk tras pomiarowych odzwierciedla udział lokalnego nachylenia w całej trasie pomiarowej. Jednocześnie analiza danych z rysunku 5.2 pozwala na stwierdzenie, czy trasa badawcza była z przewagą nachylenia

11 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów ujemnego, czy dodatniego. Z zaprezentowanych rozkładów nachylenia drogi dla różnych tras badawczych wynika, że konieczne było przyjęcie innych zakresów zmienności rozpatrywanego nachylenia drogi dla przejazdu trasą płaską i trasą w terenie górzystym. W terenie płaskim zmienność nachylenia drogi wynosiła od 6% do 6%, przy czym zakres 2% do 2% występował w 8-procentach czasu trwania testu. Odmienne warunki występowały w terenie górzystym: zakres zmienności od 2% do 2% to tylko 3% czasu trwania testu, natomiast pochylenie terenu większe od 2% (lub mniejsze od 2%) występowało w 7% czasu trwania testu. a) b) Rys. 5.2. Porównanie udziału wartości nachylenia drogi w terenie: a) płaskim, b) górskim Obiektem badań był pojazd typu SUV (Sport Utility Vehicle) z automatyczną skrzynią biegów. Wyposażony w silniki ZI o objętości skokowej 3,6 dm 3 i mocy 26 kw; pojazd spełniał normę emisyjności Euro 5. Wykorzystując mobilny system do pomiarów związków szkodliwych dokonano pomiaru natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu, dwutlenku węgla oraz cząstek stałych pod względem masy i liczby. Dodatkowo rejestrowano m.in. zmiany prędkości obrotowej silnika i obciążenia parametrów odczytanych z systemu diagnostycznego pojazdu. Rejestracja położenia geograficznego (z wykorzystaniem systemu GPS) umożliwiła wizualizację przejazdów oraz wyznaczenie długości trasy. Dane rejestrowano podczas przejazdu w terenie płaskim, gdzie uzyskano największy obszar pracy silnika w zakresie średniego obciążenia i niewielkiej prędkości obrotowej rys. 5.3a). W terenie górskim sytuacja jest zupełnie inna: największy obszar pracy silnika nie pokry-

Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 111 wa się z warunkami jazdy w terenie płaskim a jest wyznaczony przez linię biegnącą między punktami opisującymi prędkość obrotową i obciążenie silnika, odpowiednio, 1 obr/min i 2% oraz 25 obr/min i 1% (rys. 5.3b). a) b) Rys. 5.3. Warunki pracy silnika we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie podczas badań drogowych: a) teren płaski, b) teren górski Stężenie tlenku węgla na odcinku trasy płaskiej w większości było na poziomie około,2% (w dużej części trasy poniżej tej wartości, a więc nie przekraczało 2 ppm). Pojedyncze dynamiczne warunki pracy silnika skutkowały nagłym zwiększeniem stężenia, co w konsekwencji skutkowało natężeniem emisji CO dochodzącym do 4 mg/s (rys. 5.4a). Natomiast stężenie tlenku węgla w terenie górskim w większości było na poziomie poniżej,1% (w dużej części trasy poniżej tej wartości, a więc nie przekraczało 1 ppm). Zmiany warunków pracy silnika skutkowały nagłym zwiększeniem stężenia, co w konsekwencji skutkowało natężeniem emisji CO dochodzącym do ponad 4 mg/s (rys. 5.4b).

112 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów,4 4,4,35 3,35,3,25 2 1 CO [mg/s],3,25,2,2,15-1,15 CO [%],1,5-2 -3 CO [%],1,5 4 a), -4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t [s],4 4, 5 1 15 2 25 3,35 3 2 1 CO [mg/s],3,25 2 1 CO [mg/s],2-1,15-1 -2-3 CO [%],1,5-2 -3-4 4 5 6 7 8 9 t [s] b), -4 5 1 15 2 25 3 35 4 t [s] Rys. 5.4. Stężenie i natężenie emisji tlenku węgla w warunkach jazdy: a) w terenie płaskim, b) górskim Stężenie węglowodorów podczas badań nie przekraczało 1 15 ppm (teren płaski) oraz 3 ppm w terenie górskim. Pojedyncze uwarunkowania drogowe wymagały nagłego zwiększenia dawki paliwa, co skutkowało zwiększonym stężeniem węglowodorów. Wartości natężenia emisji omawianego składnika spalin, z wyjątkiem początkowego i końcowego okresu, nie przekraczały 2 mg/s (w terenie płaskim, rys. 5.5a), a w terenie górskim odnotowano wartości wynoszące 4 5 mg/s (rys. 5.5b). Również stężenie trzeciego składnika gazowego tlenków azotu w całym teście w terenie płaskim było na bardzo małym poziomie. Uzyskane małe wartości tego składnika były wynikiem sprawnie działającego trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. Natężenie emisji tlenków azotu podczas całego testu było minimalne i nie przekraczało 1 2 mg/s. Rozrzuty od tej wartości wynikały z normalnej pracy silnika i nie zaobserwowano przypadków, w których natęże-

HC [ppm] HC [mg/s] HC [mg/s] Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 113 nie emisji przekraczało w sposób znaczący wartości rejestrowanych (rys. 5.6a). Natomiast w terenie górskim stężenie tlenków azotu było na poziomie równym około 4ppm. Natężenie emisji tlenków azotu podczas całego testu było minimalne i nie przekraczało,1,5 mg/s (rys. 5.6b). 1 1 1 9 8 9 8 7 6 6 4 2 HC [mg/s] 8 7 6 5 5 4-2 4 HC [ppm] 3 2 1-4 -6-8 HC [ppm] 3 2 1 1 a) -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t [s] 1 5 5 1 15 2 25 8 9 4 6 8 3 4 7 2 2 6 1 5-2 4-1 -4 3-2 -6 2-3 -8 1-4 -1 4 5 6 7 8 9 t [s] b) -5 5 1 15 2 25 3 35 4 Rys. 5.5. Stężenie i natężenie emisji węglowodorów w warunkach jazdy: a) w terenie płaskim, b) górskim W przypadku stężenia cząstek stałych w terenie płaskim, określanych w miligramach na metr sześcienny, obserwowano wartości w zakresie do,3 mg/m 3 w początkowym okresie pracy pojazdu, następnie stężenie to uległo zmniejszeniu do wartości,2 mg/m 3. Charakter zmian natężenia emisji cząstek stałych był zgodny ze zmianami ich stężenia i tylko nieznacznie przekraczał wartości,1 mg/s, natomiast przeważnie nie przekraczał,2 mg/s (rys. 5.7a). Obserwując zarejestrowany pomiar cząstek stałych, można stwierdzić, iż otrzymane wartości zmieniały się etapowo. W przypadku jazdy w terenie górskim w początkowej t [s]

114 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 1 9 8 7 6 5 4 2 16 12 8 4-4 NO x [mg/s] 2 18 16 14 12 1 8 NO x [ppm] 3 2-8 -12 NO x [ppm] 6 4 1-16 2 2 a) -2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t [s] 2 5 5 1 15 2 25 16 18 4 12 8 4 NO x [mg/s] 16 14 12 3 2 1 NO x [mg/s] 1-4 8-1 -8-12 NO x [ppm] 6 4-2 -3-16 2-4 -2 3 4 5 6 7 8 9 t [s] b) -5 5 1 15 2 25 3 35 4 Rys. 5.6. Stężenie i natężenie emisji tlenków azotu w warunkach jazdy: a) w terenie płaskim, b) górskim t [s] fazie wartość stężenia cząstek stałych wahała się na poziomie,15 mg/m 3 z tendencją wzrostową. Kolejny etap to czas, w którym wartości stężenia cząstek stałych gwałtownie zmniejszyły się i utrzymywały minimalny poziom. Ostatnia faza pomiaru charakteryzowała się znacznym przyrostem stężenia, a mimo pewnych wahań, można określić ją, jako czas największego stężenia. Charakter zmian natężenia emisji cząstek stałych był zgodny ze zmianami ich stężenia i tylko nieznacznie przekraczała wartości,1 mg/s (rys. 5.7b). W celu rozpatrzenia wpływu nachylenia drogi na wzrost emisji zanieczyszczeń podzielono całą trasę przejazdu na obszary o charakterystycznych wartościach nachyleniach drogi, do których przydzielono wartości emisji zanieczyszczeń.

PM [mg/m 3 ] PM [mg/m 3 ] PM [mg/s] Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 115,6,3,6,5,2,5,4,1,4,3,3,2 -,1,2,1 -,2,1,3 a), -,3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t [s],6,3, 5 1 15 2 25,2,1 PM [mg/s],5,4,2,1 PM [mg/s],3 -,1 -,2 PM [mg/m 3 ],2,1 -,1 -,2 -,3 4 5 6 7 8 9 t [s] b), -,3 5 1 15 2 25 3 35 4 Rys. 5.7. Stężenie i natężenie emisji cząstek stałych (pod względem ich masy) w warunkach jazdy: a) w terenie płaskim, b) górskim Dla każdego przedziału nachylenia drogi w terenie płaskim ( 2%, 1%, %, 1%, 2%) i terenie górzystym ( 1%, 5%, %, 5%, 1%), wyznaczono wartości średniej emisji drogowej dla każdego związku szkodliwego spalin. Następnie porównano wartości emisji drogowej zanieczyszczeń dla charakterystycznych wartości nachylenia trasy i wyznaczono zależności funkcyjne (o charakterze liniowym), reprezentujące wartość emisji drogowej zanieczyszczeń w zależności od nachylenia drogi. We wszystkich rozpatrywanych przypadkach uzyskano ten sam charakter zależności: wraz ze zwiększaniem się nachylenia drogi zwiększa się emisja drogowa wszystkich szkodliwych składników spalin, jednakże wzrost ten jest inny dla różnych zanieczyszczeń. Porównanie względnych wartości współczynników uzyskanych zależności uwidacznia krotność zmian emisji drogowej przy zmianie nachylenia drogi (wartość referencyjna przyjęta dla wartości nachylenia drogi równej zero). Na rysunku 5.8 przedstawiono charakterystyki zmian emisji poszczególnych związków szkodliwych w zależności od nachylenia drogi dla terenu płaskiego i górskiego. t [s]

116 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów Krotnoość zwiększenia emisji 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2 CO HC CO2 PM NOx PN Krotnoość zwiększenia emisji 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5 PM CO NOx HC CO2 PN a), -3-2 -1 1 2 3 Nachylenie drogi [%], -15-1 -5 Nachylenie drogi [ Krotnoość zwiększenia emisji 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5 PM CO NOx HC CO2 PN -1 1 2 3 Nachylenie drogi [%] b), -15-1 -5 5 1 15 Nachylenie drogi [%] Rys. 5.8. Względna zmiana emisji drogowej zanieczyszczeń przy zmianie nachylenia drogi: a) w terenie płaskim, b) w terenie górskim Porównanie względnych zmian emisji drogowej w zależności od kąta nachylenia drogi wskazuje, że dla małych zmian kąta największą wrażliwość wykazuje emisja drogowa tlenku węgla. Rozważając większe kąty nachylenia okazuje się, że największą wrażliwość dla silników ZI wykazuje emisja cząstek stałych, która jest utożsamiana przede wszystkim z silnikami ZS. Przeprowadzone badania wykazały, że wzrost nachylenia drogi do 1% powoduje średnio 2-krotny wzrost emisji szkodliwych związków spalin. Uzyskane wyniki potwierdziły znaczący wpływ zróżnicowania terenu na testy emisyjności. Wpływ ten okazał się na tyle istotny, że za zasadną uznać należałoby potrzebę uwzględnienia w testach homologacyjnych współczynników korygujących emisję drogową zanieczyszczeń związanych z topografią terenu.

Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 117 5.2. Styl jazdy kierowcy 5.2.1. Pojazdy lekkie Badania w rzeczywistych warunkach ruchu przeprowadzono w celu weryfikacji wpływu sposobu jazdy na emisję szkodliwych składników spalin oraz zużycie paliwa przez pojazdy [15]. Celem przeprowadzonych badań była odpowiedź na pytanie: w jaki sposób należy prowadzić pojazd silnikowy aby minimalizować emisję spalin do atmosfery? Badania pojazdów lekkich: samochodów osobowych oraz samochodów dostawczych, prowadzono na dwóch trasach pomiarowych, zlokalizowanych na terenie Poznania. Jej sumaryczna długość wynosiła około 11 km. Charakterystyka trasy była dość zróżnicowana pod względem warunków ruchu. Trasa składała się z odcinków o ruchu typowo miejskim, jak również pozamiejskim, gdy istniała możliwość uzyskania większej prędkości jazdy (7 km/h). Trasę badawczą ze względu na zmienność parametrów ruchu podzielono na cztery części (odcinki pomiarowe): ruch miejski o dużym natężeniu duży udział postoju pojazdu (2,5 km 24% trasy przejazdu), ruch pozamiejski droga szybkiego ruchu, prędkość dopuszczalna 7 km/h (1 km 1% trasy przejazdu), ruch miejski o małym natężeniu (około 2 km 17% trasy przejazdu), ruch mieszany część odcinka to droga szybkiego ruchu o prędkości dopuszczalnej wynoszącej 7 km/h (około 5 km 49% trasy przejazdu). Bazując na zmierzonej zawartości poszczególnych gazowych związków szkodliwych w spalinach obliczono emisję drogową dwutlenku węgla, tlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu dla wszystkich odcinków pomiarowych (rys. 5.9 5.12). Przejazdy poszczególnych odcinków pomiarowych w zakresie zmienności stylu jazdy kierowcy cechują się różną emisją składników szkodliwych spalin w postaci CO, CO 2, HC i NO x. Należy wskazać na znaczny wzrost emisji tych czterech gazowych związków chemicznych przy jeździe agresywnej, mimo zastosowanego układu oczyszczania spalin w badanym pojeździe (trójfunkcyjny reaktor katalityczny). Analiza przejazdu całej trasy badawczej wskazuje na znaczny wzrost emisji drogowej tlenków azotu podczas jazdy agresywnej w stosunku do jazdy normalnej z,64 do,78 g/km, co stanowi wzrost o nieco ponad 2%. Emisja drogowa dwutlenku węgla wzrasta w podanych warunkach w najmniejszym stopniu (niecałe 2%). Największe zmiany, a więc największy wpływ stylu jazdy kierowcy odnotowano dla pomiarów emisji drogowej węglowodorów. W ich przypadku podczas jazdy agresywnej zanotowano wzrost w stosunku do jazdy normalnej o 44%.

118 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów Rys. 5.9. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową dwutlenku węgla (pojazd osobowy) Rys. 5.1. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową tlenku węgla (pojazd osobowy) Rys. 5.11. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową węglowodorów (pojazd osobowy)

Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 119 Rys. 5.12. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową tlenków azotu (pojazd osobowy) Z wykonanych pomiarów wynika, że styl jazdy kierowcy znacznie wpływa na wartości emisji drogowej: wyraźne zmiany emisji odnotowuje się podczas zmiany stylu jazdy w warunkach jazdy z większymi prędkościami małym natężeniem ruchu. Przykładowo emisja drogowa tlenku węgla wzrasta o około 5%, a dwutlenku węgla o 2%, podczas przejazdów w warunkach ruchu miejskiego odnotowano maksymalne bądź zbliżone do maksymalnych wartości emisji drogowej wszystkich czterech analizowanych składników szkodliwych spalin (przy przejeździe standardowym, jak również podczas jazdy agresywnej), analiza całej trasy badawczej wskazuje na największy wzrost emisji drogowej węglowodorów (prawie 45%) oraz na porównywalny przyrost emisji drogowej dwutlenku węgla i tlenków azotu na poziomie około 2%. Bazując na zmierzonym stężeniu szkodliwych składników w spalinach obliczono natężenie emisji zanieczyszczeń dla wszystkich czterech odcinków pomiarowych podczas przejazdu pojazdem dostawczym. Na podstawie otrzymanego w wyniku obliczeń natężenia emisji, obliczono w dalszej kolejności emisję drogową analizowanych związków gazowych dla każdego odcinka pomiarowego oraz całej trasy badawczej (rys. 5.13 5.16). W wyniku przeprowadzonych badań odnotowano dla stylu jazdy określanego mianem eco-drivingu najmniejszą, a dla stylu jazdy agresywnej największą emisję drogową wszystkich substancji szkodliwych emitowanych z układu wylotowego pojazdu dostawczego. Różnice w poziomie emisji składników spalin, określone dla poszczególnych odcinków pomiarowych, mogą mieć wpływ inne warunki panujące na drodze w trakcie wykonywania jazd testowych. Przykładowo jest to większe zjawisko kongestii drogowej, a tym samym większy udział postoju pojazdu.

12 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów Rys. 5.13. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową dwutlenku węgla (pojazd dostawczy) Rys. 5.14. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową tlenku węgla (pojazd dostawczy) Rys. 5.15. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową węglowodorów (pojazd dostawczy)

Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 121 Rys. 5.16. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową tlenków azotu (pojazd dostawczy) W przypadku emisji drogowej tlenku węgla dla całej trasy badawczej odnotowano w kolejności około:,84 g/km,,93 g/km i 1,1 g/km. Daje to różnice procentowe względem jazdy normalnej na poziomie 9,9% dla eco-drivingu oraz 17,7% dla jazdy agresywnej. Różnice procentowe w emisji drogowej dwutlenku węgla natomiast wynoszą odpowiednio: 6,9% i 24,6%. Najmniejsze różnice w emisji drogowej odnotowano dla węglowodorów. Natomiast w przypadku tlenków azotu należy zwrócić szczególną uwagę na ponad 4-procentowy wzrost ich emisji w wyniku zastosowania przez kierowcę agresywnego stylu jazdy cała trasa przejazdu. Wykonane badania drogowe pojazdów typu PC i LDV w rzeczywistych warunkach ich eksploatacji miały charakter badań rozpoznawczych z istotnym aspektem możliwości aplikacyjnych ich wyników. Uwidoczniły one znaczący wpływ stosowanego przez kierowcę stylu jazdy na emisję substancji szkodliwych w spalinach oraz przebiegowe zużycie paliwa. Należy wskazać na znaczny wzrost wartości emisji drogowej tych związków w wyniku zastosowania jazdy agresywnej oraz zauważalny spadek wartości emisji przy zastosowaniu ekologicznego i ekonomicznego stylu jazdy eco-drivingu. Na drogach dość często można zaobserwować stosowanie przez kierowców dynamicznego, a nawet bardzo agresywnego sposobu poruszania się pojazdem. Mając na uwadze wnioski wyciągnięte z przeprowadzonych badań warto podkreślić, że może to nie tylko wpływać negatywnie na ekonomię eksploatacji pojazdów silnikowych, ale również na środowisko naturalne oraz bezpieczeństwo jazdy. Stwierdzenie to dotyczy wszystkich rodzajów pojazdów, wyposażonych zarówno w napęd konwencjonalny, jak również napęd alternatywny. Warto więc racjonalnie podchodzić do kwestii sposobu eksploatacji styl jazdy wszelkich pojazdów samochodowych. Słuszne zatem wydaje się być istnienie różnego rodzaju szkół doskonalenia techniki jazdy, w tym szkół jazdy ekologicznej i ekonomicznej (ecodrivingu).

122 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 5.2.2. Pojazdy ciężkie Pomiary toksyczności spalin w rzeczywistych warunkach ruchu pojazdów ciężkich typu HDV wykonano na terenie aglomeracji poznańskiej (HDV1), trasie przejazdowej między miejscowościami (HDV2) oraz w warunkach jazdy podmiejskiej (HDV3). Ich charakterystyka była zróżnicowana pod względem warunków ruchu. Trasa nr 3 składała się bowiem z odcinka o ruchu typowo miejskim (3 1), jak również pozamiejskim, gdy istniała możliwość uzyskania większej prędkości jazdy 7 km/h (2 3) oraz mieszanym (1 2). Natomiast trasę przejazdową między miejscowościami podzielono na następujące trzy odcinki pomiarowe: 1 2 (ruch miejski), 2 3 (ruch autostradowy) oraz 3 1 (ruch mieszany, głównie pozamiejski). W związku z powyższym w przypadku trasy badawczej nr 4, na której badany był pojazd HDV2, uzyskano najbardziej zróżnicowane wyniki badań występowanie największego zróżnicowania warunków ruchu (ruch miejski, pozamiejski, autostradowy). Określone natężenie emisji poszczególnych szkodliwych składników spalin posłużyło do obliczenia ich emisji drogowej. Wartości tej emisji drogowej wyznaczone dla całej trasy przejazdu na rys. 5.17 5.2. W związku z tym, że obiekty badań były wyposażone w różne układy napędowe (moc silnika, klasa emisyjna) dostrzegalne jest znaczne zróżnicowanie zarówno w emisji drogowej substancji szkodliwych, jak i przebiegowym zużyciu paliwa przez poszczególny badany pojazd z grupy HDV. Ponadto badane pojazdy cechowały się różną masą własną i przewożonym ładunkiem. Dla przykładu przejazdy pojazdem oznaczonym jako HDV2 odbywały się (bez ładunku), a przejazdy pojazdem HDV3 z ładunkiem o masie około 25 kg. Dla wszystkich obiektów badań daje się jednak zauważyć podobny wpływ stosowanego przez kierowcę różnego sposobu jazdy. Uzyskano oszczędności w zużyciu pali- Rys. 5.17. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową dwutlenku węgla (pojazdy ciężkie)

Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 123 Rys. 5.18. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową tlenku węgla (pojazdy ciężkie) Rys. 5.19. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową tlenku węgla (pojazdy ciężkie) Rys. 5.2. Wpływ stylu jazdy w poszczególnych fragmentach trasy badawczej na emisję drogową tlenku węgla (pojazdy ciężkie)

Dystans [km] 124 Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów wa oraz zmniejszenie emisji związków szkodliwych spalin na poziomie kilku procent (eco-driving względem jazdy normalnej) oraz pogorszenie właściwości ekologicznych i ekonomicznych pojazdu w wyniku stosowania jazdy agresywnej o kilkanaście procent. 5.3. Obciążenie pojazdu ładunkiem Trasę, na której prowadzono badania w warunkach drogowych, podzielono na 4 podstawowe cykle (rys. 5.21): miejski, autostradowy: max i eco oraz mieszany. Etap autostradowy dodatkowo podzielono ze względu na prędkość przejazdu i zarazem styl jazdy w następujący sposób: połowę trasy pokonano z maksymalną prędkością pojazdu, tj. ok. 9 km/h, pozostałą część z prędkością ok. 75 8 km/h. Obciążenie pojazdu stanowiło ok. 1 t ładunku. Charakterystykę trasy przedstawiono w tablicy 5.3. W celu stwierdzenia podobieństwa przejazdów porównano udziały czasu pracy zależne od prędkości i przyspieszenia pojazdu (rys. 5.22). Tablica 5.3. Charakterystyka testu badawczego dla przejazdu pustego oraz pełnego Parametr testu Bez ładunku Z ładunkiem Czas testu [s] 6184 589 Prędkość średnia [km/h] 55,56 55,56 Długość trasy [km] 95,5 9,9 Zużycie paliwa [dm 3 /1 km] 17,59 22,67 12 1 8 Bez ładunku Z ładunkiem 95,5 9,9 6 4 46 42,1 2 11 1,7 18,2 2 2,318,1 Miasto Autostrada max Autostrada eco Mieszana Całość Rys. 5.21. Zestawienie długości poszczególnych odcinków drogi

u i [-] Czynniki wpływające na emisję zanieczyszczeń z pojazdów 125,25,2 a) u i [-],15,1,5, 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 V [m/s] 1,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] -1,8,25,2,15,1,5, 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 1,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] -1,8 b) V [m/s] Rys. 5.22. Udziały czasu jazdy pojazdu zależne od prędkości i przyspieszenia dla przejazdu bez ładunku (a) oraz przejazdu z ładunkiem (b) Na rysunku 5.23 przedstawiono przykładowe wartości stężenia tlenków azotu w zależności od przyspieszenia pojazdu na poszczególnych etapach trasy przejazdu. Kolor niebieski przedstawia przejazd bez obciążenia, a czerwony z obciążeniem. Wyraźnie dostrzegalna jest tendencja zmiany stężenia wraz ze zmianą przyspieszenia pojazdu. Przyspieszenie chwilowe pojazdu można traktować jako odzwierciedlenie obciążenia pojazdu. Przy wzroście obciążenia zwiększa się także poziom emisji. Tendencja takich zmian jest szczególnie dostrzegalna w warunkach najbardziej ustabilizowanej pracy silnika, tzn. w cyklu autostradowym (b, c). Wskaźniki ilościowe emisji przejazdu przestawiono w postaci łącznej masy skumulowanej badanych substancji szkodliwych. Wykorzystując wartości emisji badanych związków oraz długość drogi podczas wykonywania testu, przedstawiono średnią emisję drogową związków szkodliwych (rys. 5.24 5.25).