Dwuwymiarowe charakterystyki natężenia emisji zanieczyszczeń

Podstawą do wyznaczenia emisji drogowej lub masy związków szkodliwych spalin są przebiegi natężenia emisji zarejestrowane (lub obliczone ze stężenia i natężenia prze-pływu spalin) podczas pomiarów. Jednakże w takim przypadku pozostają nieznane (w formie jawnej) warunki rejestrowania danych wartości natężenia emisji zanieczyszczeń.

Rozwiązaniem tej kwestii jest przedstawienie natężenia emisji zanieczyszczeń w formie dwuwymiarowych charakterystyk odniesionych do prędkości i przyspieszenia pojazdu – czyli charakterystyk we współrzędnych prędkość–przyspieszenie pojazdu. Dodatkowo do określenia emisji drogowej wymagana jest znajomość udziału czasu pracy w po-szczególnych przedziałach prędkości i przyspieszenia pojazdu. Takie charakterystyki wykonano dla uśrednionych przejazdów przez miasto i po obwodnicy, zarówno w kie-runku północ-południe, jak i w kiekie-runku przeciwnym – południe-północ.

Podczas przejazdu przez miasto prędkość jazdy zmienia się w granicach od 0 m/s do 24 m/s, przy czym dominuje jazda ze stałą prędkością od 14 m/s do 22 m/s oraz przy-spieszenia do 0,5 m/s² i opóźnienia do –0,5 m/s² (rys. 5.37a i 5.38a). Z kolei przejazd po obwodnicy cechuje zmienność prędkości w zakresie od 0 m/s do 30 m/s, jednak prędko-ści do 16 m/s mają znikomy udział w ogólnym czasie przejazdu (rys. 5.37b i 5.38b).

Podobne charakterystyki wykonano również dla pozostałych przejazdów. Aby wyzna-czyć wyemitowaną masę związków szkodliwych z wykorzystaniem dwuwymiarowej charakterystyki udziału czasu pracy i natężenia emisji zanieczyszczeń, należy (algorytm przedstawiony dla jednego kierunku pomiaru, np. północ-południe):

5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 65

a) b)

Rys. 5.37. Wartości udziału czasu pracy pojazdu we współrzędnych prędkość–przyspieszenie pojazdu (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu

przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą

a) b)

Rys. 5.38. Wartości udziału czasu pracy pojazdu we współrzędnych prędkość–przyspieszenie pojazdu (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu

przez miasto, b) podczas przejazdu obwodnicą

 wyznaczyć średni udziału czasu pracy pojazdu podczas przejazdów (łączny dla wszystkich przejazdów);

 wyznaczyć jedną wspólną charakterystykę natężenia emisji danego związku z po-jazdu; charakterystyka taka wykonana we współrzędnych prędkość–przyspie-szenie pojazdu jako wynik wszystkich przejazdów jest przedstawiona np. na rys.

5.39. Charakterystyka taka mogłaby być wykonana na dowolnym obszarze ba-dawczym, przy wymaganiu objęcia zakresem pracy pojazdu całej charakterystyki zmienności prędkości i przyspieszenia. Na podstawie prowadzonych badań wła-snych Autora można stwierdzić, że kilkugodzinna rejestracja emisji danego związku w różnorodnych warunkach jazdy jest wystarczająca do opracowania charakterystyki emisji pojazdu (w odniesieniu do danej kategorii emisyjnej pojaz-du i rodzaju silnika). Zastosowanie takiego rozwiązania w niniejszej pracy nie jest możliwe ze względu na różnorodny stan termiczny silnika pojazdu i układu oczyszczania spalin podczas badań emisji zanieczyszczeń podczas jazdy miejskiej i jazdy obwodnicą miasta. Szczególnie temperatura ostatniego z wymienionych elementów ma wpływ na skuteczność oczyszczania spalin (obiektem badań był silnik ZI, a pojazd wyposażony był w trójfunkcyjny reaktor katalityczny);

 wyznaczyć masę danego związku szkodliwego w rozpatrywanym przejeździe (odpowiednio miasto, obwodnica) dzięki znajomości charakterystyki natężenia emisji każdego związku, znajomości udziału czasu pracy w przedziałach prędko-ści i przyspieszenia oraz średniego czasu przejazdu. Zsumowanie iloczynów po-szczególnych pól charakterystyki natężenia emisji danego związku i czasu udziału

5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 66 pozwala na wyznaczenie całkowitej masy danego związku szkodliwego wyemi-towanego w poszczególnych przejazdach.

Charakterystyki natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu oraz dwutlenku węgla dla przejazdów północ-południe oraz południe-północ przedstawiono rys. 5.39–5.46. Podobnie jak w przypadku udziału czasu pracy pojazdu we współrzęd-nych prędkość–przyspieszenie pojazdu, charakterystyka natężenia emisji wszystkich omawianych związków spalin znacząco różni się dla obu porównywanych przejazdów, ponieważ wykonywane są dla przejazdów w całkowicie różnych warunkach eksploata-cji. Podczas przejazdu po obwodnicy największy udział w emisji danego związku ma zakres prędkości pojazdu 20–30 m/s, natomiast podczas przejazdu przez miejscowość – znaczący udział ma zakres prędkości pojazdu 14–22 m/s. Pozostałe przedziały prędko-ści są mniej istotne z punktu widzenia emisji związków szkodliwych spalin, ponieważ ich udział czasowy jest niewielki lub emisja w analizowanym punkcie pracy pojazdu jest mała.

Puste pola na przedstawionych charakterystykach oznaczają, że dany przedział pręd-kości i przyspieszenia pojazdu nie był rejestrowany podczas takiego przejazdu, nato-miast wartość zerowa natężenia emisji jest reprezentowana przez płaski kwadrat w da-nym zakresie prędkości i przyspieszenia pojazdu.

a) b)

Rys. 5.39. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas

przejaz-du obwodnicą

a) b)

Rys. 5.40. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas

przejaz-du obwodnicą

5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 67

a) b)

Rys. 5.41. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji węglowodorów węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b)

pod-czas przejazdu obwodnicą

a) b)

Rys. 5.42. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji węglowodorów (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas

przejazdu obwodnicą

a) b)

Rys. 5.43. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas

prze-jazdu obwodnicą

5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 68

a) b)

Rys. 5.44. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas

przejazdu obwodnicą

a) b)

Rys. 5.45. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku północ-południe): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas

prze-jazdu obwodnicą

a) b)

Rys. 5.46. Dwuwymiarowa charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla (wartości średnie dla przejazdu w kierunku południe-północ): a) podczas przejazdu przez miasto, b) podczas

przejazdu obwodnicą

5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 69 Wyznaczone wartości masy wyemitowanych związków szkodliwych przy wykorzy-staniu wzoru ogólnego:

 







j i,

j i j

i,a ) u(V,a ) V

( E t

m , (5.1)

podczas przejazdu przez miasto i obwodnicą były następujące (dla kierunku północ- -południe i południe-północ):

 masa tlenku węgla:

– podczas przejazdu przez miasto: 704 mg oraz 829 mg; wartość średnia 767 mg, – podczas przejazdu obwodnicą: 492 mg oraz 573 mg; wartość średnia 532 mg,

 masa węglowodorów:

– podczas przejazdu przez miasto: 177 mg oraz 207 mg; wartość średnia 192 mg, – podczas przejazdu obwodnicą: 165 mg oraz 159 mg; wartość średnia 162 mg,

 masa tlenków azotu:

– podczas przejazdu przez miasto: 200 mg oraz 229 mg; wartość średnia 214 mg, – podczas przejazdu obwodnicą: 303 mg oraz 317 mg; wartość średnia 310 mg,

 masa dwutlenku węgla:

– podczas przejazdu przez miasto: 1588 g oraz 1864 g; wartość średnia 1726 g, – podczas przejazdu obwodnicą: 1666 g oraz 1573 g; wartość średnia 1620 g.

Uzupełnieniem takiego opracowania wyników jest porównanie uzyskanych wyników metodą konwencjonalną (opisaną w podrozdziałach 5.2.1 oraz 5.2.2) i metodą z wyko-rzystaniem dwuwymiarowych charakterystyk natężenia emisji. Porównanie takie przed-stawiono w tabl. 5.1, z której wynika, że największe różnice względne takiego porów-nania nie przekraczają 0,1% (wynikają tylko z dokładności zaokrąglania wyników).

Wynik taki wskazuje na możliwość zamiennego wykorzystywania obu metod, przy bra-ku wskazania na którąkolwiek. Należy jednak zaznaczyć, że metoda wyznaczania emisji zanieczyszczeń z wykorzystaniem dwuwymiarowych charakterystyk w sposób jawny ukazuje właściwości dynamiczne ruchu pojazdu w których ta masa została wyznaczona, a jednocześnie daje pogląd na charakter przejazdu.

Tablica 5.1. Porównanie wyników (dokładnych wartości średnich) uzyskanych metodą konwen-cjonalną wyznaczania emisji zanieczyszczeń i metodą z wykorzystaniem dwuwymiarowych charakterystyk natężenia emisji

Związek

szkodliwy Trasa Metoda konwencjonalna

Metoda z wykorzystaniem dwuwymiarowych

charakterystyk

Błąd względny

Tlenek węgla M 767,2 mg 766,9 mg 0,040%

O 532,2 mg 532,6 mg 0,075%

Węglowodory M 191,8 mg 191,9 mg 0,052%

O 162,0 mg 162,1 mg 0,062%

Tlenki azotu M 214,4 mg 214,4 mg 0,000%

O 310,0 mg 310,3 mg 0,097%

Dwutlenek węgla

M 1726,7 g 1726,2 g 0,029%

O 1620,7 g 1620,0 g 0,043%

M – miasto, O – obwodnica.

5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 70

5.2. Badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń