W celu sprostania pojawiającym się z coraz większą częstotliwością nowym normom toksyczności spalin, stale poszukuje się rozwiązań wpływających na zmniejszenie zużycia paliwa i emisję spalin, szczególnie w ruchu miejskim. Zużycie paliwa przez pojazd poruszający się w mieście jest znacznie większe, w porównaniu gdy porusza się on poza miastem. Wynika to m.in. z charakteru ruchu miejskiego, cechującego się znacznym natężeniem pojazdów, co wpływa na ich częste zatrzymywanie się i ruszanie. Pojazdy te poruszają się ponadto na niższych biegach (ograniczenia prędkości i jazda podczas kongestii), co dodatkowo niekorzystnie wpływa na ekonomię paliwową. Stąd podejmuje się prace mające na celu ograniczenie spalanego paliwa przez pojazdy. Można to uczynić m.in. przez usprawnienie transportu miejskiego (system ITS, BRT, zielone fale) lub zmniejszenie strat energii (hybrydyzacja napędów).
Mimo, iż sprzedawane i nowo rejestrowane samochody są wyposażane w coraz bardziej dopracowane konstrukcyjnie i ekologiczne jednostki napędowe (dzięki rozbudowanym układom oczyszczania spalin spełniającym z zapasem najnowszą normę emisji Euro 6), konieczne jest jednak poszukiwanie nowych sposobów na ograniczenie niekorzystnego oddziaływania tych samochodów na środowisko (rys. 3.1). Jest to możliwe zwłaszcza w czasie wykonywania badań w warunkach rzeczywistego ruchu po drogach. W rzeczywistej eksploatacji, w porównaniu do badań stanowiskowych prowadzonych w warunkach ściśle określonych, można pozyskać bowiem więcej niezbędnych informacji przydatnych do optymalizacji układu napędowego pod względem ograniczenia jego szkodliwego oddziaływania na środowisko naturalne [44, 47, 49]. Takie badania są cenne nie tylko z punktu widzenia konstruktorów pojazdów
+ poprawa gospodarki energią cieplną, inteligentne sterowanie alternatorem, typowy silnik ZI, downsizing, poprawa gospodarki energią cieplną, inteligentne sterowanie alternatorem, układ zmiennych faz rozrządu, pełna hybryda (126 g/km)
+ układ zmiennych faz rozrządu
typowy silnik ZI + poprawa gospodarki energią cieplną, inteligentne sterowanie alternatorem
typowy silnik ZI (7,7 dm3/100 km, 185 g/km)
+ bezp. wtrysk paliwa, turbodoładowanie, downsizing, system start-stop (139 g/km)
Rys. 3.1. Wpływ techniki na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla [89]
Wiele ośrodków i firm prowadzących szkolenia z zakresu jazdy ekologicznej i ekonomicznej (oprócz tego także jazdy bezpiecznej oraz po bezdrożach – tzw.
off-road’owej) w swoich materiałach jako jedną z korzyści stosowania zasad eco-drivingu przez kierowcę podaje określone procentowe zmniejszenie zużycia paliwa, obarczone przy tym dość dużą niedokładnością pomiarową. Natomiast brak jest informacji o toksycznych składnikach spalin – podaje się, że się zmniejszają, nie podając jednak konkretnych wartości. Stąd wydało się więc konieczne przeprowadzenie weryfikacji zakładanych korzyści wynikających ze stosowania zasad eco-drivingu, w oparciu o dostępną (od niedawna) mobilną aparaturę badawczą umożliwiającą stosowne pomiary. Należy przy tym wspomnieć, że badania emisji substancji szkodliwych z silników napędzających pojazdy w rzeczywistych warunkach ich eksploatacji (a nie tylko w warunkach laboratoryjnych w trakcie tzw. homologacji typu) z wykorzystaniem aparatury mobilnej są nowością w skali światowej. Obecnie niewiele ośrodków badawczych i badawczo-rozwojowych oraz jednostek naukowych dysponuje konieczną dla realizacji takich badań aparaturą.
Powyższe spostrzeżenia stały się podstawą do sformułowania głównego celu pracy, którym jest:
Określenie wpływu stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję substancji szkodliwych w spalinach
Podjęcie tego zagadnienia w niniejszej pracy było spowodowane niewystarczającą wiedzą o wpływie samego zachowania kierowców (stosowanego przez nich sposobu jazdy) na emisję szkodliwych składników spalin oraz zużycie paliwa. Sformułowany główny cel pracy wynika m.in. z potrzeb przedsiębiorstw (w tym komunikacyjnych) posiadających duże floty pojazdów i wykazujących popyt na szkolenia z zakresu jazdy ekologicznej i ekonomicznej.
Celem dodatkowym niniejszej dysertacji jest weryfikacja zasad eco-drivingu.
Podstawowe pytania badawcze są następujące:
1) W jaki sposób należy rozpędzać pojazd aby minimalizować zużycie paliwa oraz emisję zanieczyszczeń gazowych i stałych?
2) Jak należy prowadzić pojazd silnikowy by minimalizować emisję spalin i zużycie paliwa?
3) W jaki sposób należy hamować pojazdem, w celu uzyskania możliwie najmniejszych strat energii oraz największych korzyści ekologicznych?
Cel pracy uzna się za osiągnięty, gdy uzyska się odpowiedzi na postawione pytania badawcze. Jako podstawowe kryterium oceny należy przyjąć wartości parametrów eksploatacyjnych podczas rzeczywistych warunków ruchu pojazdów.
Wartości tych parametrów w porównaniu z odpowiadającymi im wartościami emisji drogowej substancji szkodliwych w spalinach, uzyskanymi podczas przejazdów, pozwolą określić kierunek możliwości poprawy emisyjności pojazdów w eksploatacji.
W ramach określonych celów pracy – głównego i dodatkowego – będą zrealizowane następujące cele szczegółowe:
‒ wyznaczenie kryteriów oceny stylu jazdy kierowców,
‒ określenie wpływu wyznaczonych kryteriów na emisję dwutlenku węgla oraz innych substancji szkodliwych zawartych w spalinach,
‒ opracowanie zaleceń dotyczących ekologicznej i ekonomicznej eksploatacji pojazdów silnikowych.
Doświadczalna ocena wpływu ekologicznego i ekonomicznego stylu jazdy kierowcy na środowisko naturalne – główny cel naukowy przedmiotowej pracy doktorskiej – pozwoli w efekcie końcowym na wykazanie (bądź nie) słuszności i korzystności stosowania zasad eco-drivingu podczas prowadzenia pojazdów mechanicznych. Stało się to możliwe dzięki pomiarom zużycia paliwa i emisji substancji szkodliwych w spalinach, przeprowadzonym w rzeczywistych warunkach ruchu (eksploatacji) tych pojazdów – w tzw. warunkach drogowych.
Badania będą polegały na jednoczesnym prowadzeniu dwóch typów pomiarów:
toksyczności spalin oraz przy wykorzystaniu pokładowego rejestratora parametrów ruchu pojazdu (określanie dynamiki ruchu). Gromadzenie danych będzie prowadzone z wykorzystaniem odpowiednio dobranych urządzeń pomiarowo-rejestrujących.
Badania będą wykonywane w warunkach ruchu miejskiego, pozamiejskiego oraz autostradowego, z wykorzystaniem pojazdów badawczych różnych kategorii homologacyjnych.
Mając na uwadze przedstawione w pracy aspekty oraz zagadnienia podjęto próbę udowodnienia tezy:
Możliwe jest zmniejszenie emisji drogowej substancji szkodliwych w spalinach oraz zużycia paliwa przez pojazd
przy wykorzystaniu zasad eco-drivingu
Sposób rozwiązania problemu naukowego i zakres pracy przedstawiono schematycznie na rys. 3.2. Zgodnie z zamierzeniem autora, wyznaczone zależności, dotyczące wpływu stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję szkodliwych składników spalin, powinny stanowić wymierną wiedzę wykorzystywaną np. w trakcie szkolenia kierowców według zasad ekologicznej i ekonomicznej jazdy oraz do popularyzacji tego sposobu eksploatacji pojazdów silnikowych.
Na potrzeby realizacji pracy przyjęto pewne założenia i określono następujące ograniczenia:
‒ w analizie pominięto niektóre zasady eco-drivingu; nie określono m.in.: wpływu wartości ciśnienia w oponach, użytkowania klimatyzacji oraz przewożenia dodatkowych rzeczy (relingi dachowe, rowery, narty, ładunek w bagażniku itp.) na emisję spalin i zużycie paliwa przez pojazd,
‒ badaniom poddano jedynie pojazdy samochodowe o zastosowaniu drogowym (kategorii homologacyjnej M i N), natomiast nie przeprowadzono pomiarów toksyczności spalin dla pojazdów o innym zastosowaniu niż do trakcji drogowej – typu non-road,
‒ badaniom poddano jedynie pojazdy wyposażone w manualne skrzynie przekładniowe – większa możliwość wpływania przez kierowcę na sposób poruszania się pojazdem niż w przypadku skrzyń zautomatyzowanych i automatycznych,
‒ w celu zminimalizowania mogących się pojawić rozbieżności w wynikach pomiarów – różnice w sterowaniu pojazdem – ograniczono się jedynie do dwóch kierowców testowych, posiadających kilkunastoletnie doświadczenie w prowadzeniu pojazdów samochodowych,
‒ w pracy, dla łatwiejszej analizy sporządzonych wykresów, przedstawiono tylko wybrane wyniki pomiarów emisji spalin i zużycia paliwa pozyskane w trakcie jazd testowych – dla reprezentatywnych przejazdów; część z zaprezentowanych wartości emisji spalin i zużycia paliwa jest wynikiem uśredniania z kilku (kilkunastu) prób,
‒ w analizie stylu jazdy kierowcy uwzględniane będzie wyłącznie przyspieszenie pojazdu w osi wzdłużnej x, natomiast nie będą brane pod uwagę przyspieszenia w pozostałych osiach (poprzecznej y i pionowej z).
Postawienie problemu
Analiza możliwości zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w spalinach pojazdów samochodowych
Analiza obecnie stosowanych sposobów wpływających na poprawę ekologiczności eksploatacyjnej pojazdów:
– rozbudowane układy oczyszczania spalin, – zmiany konstrukcyjne w silnikach, – wprowadzanie napędów alternatywnych, – zmiana sposobu eksploatacji – eco-driving.
Definicja różnych stylów jazdy – kryteria
Metodyka badań
Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu
Analiza teoretyczna i literaturowaGenezaBadania eksperymentalne Wnioski
1 Określenie wpływu stylu jazdy kierowcy
na emisję spalin i zużycie paliwa
Propozycja zaleceń dotyczących sposobu jazdy
Podsumowanie, wnioski i kierunki dalszych badań 9 6
7
Rys. 3.2. Schemat rozwiązania postawionego celu naukowego pracy