5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów
5.1. Badania emisji związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto
5.1.1. Przegląd zarejestrowanych wartości
W całościowym ujęciu zagadnienia badania emisji związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto i jego obwodnicą podjęto działania mające na celu określenia emisji drogowej związków szkodliwych dla całego przejazdu, nie analizując poszcze-gólnych jego etapów (wybrano miasto Żyrardów z powodu budowy nowej infrastruktury drogowej – obwodnicy). W takim podejściu porównano dwie metody służące wyzna-czeniu parametrów emisyjnych pojazdów na przykładzie przejazdu przez miejscowość i jego obwodnicą. Pierwsza z omawianych metod polega na sumowaniu stężenia po-szczególnych składników gazów wylotowych podczas przejazdu. Drugi sposób wyzna-czenia parametrów emisyjnych polega na wykorzystaniu do tego celu charakterystyk histogramów czasowych natężenia emisji związków szkodliwych (sposoby szczegóło-wo opisane w metodyce badań). Dodatkowe wartości parametrów określających charak-terystykę przejazdów rejestrowano z częstotliwością 1 Hz, wykorzystując dane z pokła-dowego systemu diagnostycznego pojazdu.
Warunki pracy jednostek napędowych pojazdów podczas przejazdu przez miejsco-wość oraz jej obwodnicą są całkowicie odmienne. Celem badań było określenie różnic w zużyciu paliwa oraz emisji spalin z pojazdu przy przejeździe przez miejscowość oraz po obwodnicy miasta Żyrardowa. Miejsce badań zostało wybrane z powodu budowy nowej obwodnicy drogowej, której przebieg przedstawiono na rys. 5.1. Pierwszą część badań wykonano przed oddaniem obwodnicy do użytku, a drugą – po udostępnieniu jej do normalnego ruchu drogowego. Analiza uzyskanych wyników badań została prze-prowadzona w aspekcie oceny wpływu zmiany parametrów ruchu pojazdu na parametry ekologiczne i ekonomiczne, warunkujące wybór trasy przejazdu.
Rys. 5.1. Mapa sytuacyjna obwodnicy Żyrardowa
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 49 Charakterystyki przejazdów przez miejscowość oraz obwodnicą (w kierunku prze-jazdu północ-południe – dalej oznaczane jako 1-x oraz w kierunku południe-północ – oznaczane jako 2-x): prędkość przejazdu przedstawiono na rys. 5.2 i 5.3, a pozostałe czas przejazdu, drogę i prędkość średnią każdego przejazdu przedstawiono na rys. 5.4–
5.6. Wartości wymienionych parametrów rejestrowano z częstotliwością 1 Hz wykorzy-stując dane z systemu GPS, po czym dokonano sumowania oraz przeliczeń w celu wy-znaczenia prędkości średniej. Z przedstawionych danych wynika, iż czas przejazdu z kierunku północnego na południowy wynosił od 1086 s do 1209 s (przy średniej 1137 s, a więc rozrzut wynosił od 51 s mniej do 72 s więcej), natomiast w kierunku odwrotnym czas był zdecydowanie dłuższy (m.in. ze względu na większe natężenie ruchu) i wynosił od 1461 s do 1594 s. Dystans przejazdu obu tras był zbliżony w kolejnych przejazdach i wynosił ok. 13,7 km. Uzyskano w tym aspekcie również dużą powtarzalność, ponieważ dla przejazdów przez miasto, różnice dystansu wynoszą jedynie 0,39 km, natomiast w przypadku ruchu pojazdu po obwodnicy, rozrzut wyników wyniósł 0,52 km, co stanowi odpowiednio ok. 2% i 4% najmniejszej zarejestrowanej wartości. Prędkość średnia przy przejeździe przez miasto wynosiła 38,5 km/h, z kolei podczas pokonywania obwodnicy uzyskano wartość na poziomie 75,4 km/h. Oznacza to ponad dwukrotne zwiększenie średniej prędkości przejazdu przy wyborze trasy przejazdu z wykorzystaniem obwodni-cy miasta. Tak znaczące zwiększenie prędkości przejazdu przy prawie takim samym dystansie porównywanych dróg przejazdu, przyczyniło się do zmniejszenia średniego czasu pokonywania tras badawczych o ok. 50%, co w bezpośrednim ujęciu czasowym przekłada się skrócenie pojedynczego przejazdu o ok. 11 min.
a) b)
Rys. 5.2. Przebieg prędkości w poszczególnych próbach pomiarowych przy przejeździe przez miasto: a) kierunek północ-południe, b) kierunek południe-północ
a) b)
Rys. 5.3. Przebieg prędkości w poszczególnych próbach pomiarowych przy przejeździe po obwodnicy: a) kierunek północ-południe, b) kierunek południe-północ
0
0 3000 6000 9000 12000 15000
V [km/h]
0 3000 6000 9000 12000 15000
V [km/h]
0 3000 6000 9000 12000 15000
V [km/h]
0 3000 6000 9000 12000 15000
V [km/h]
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 50
a) b)
Rys. 5.4. Czas poszczególnych prób pomiarowych przy przejeździe: a) przez miasto, b) po ob-wodnicy
a) b)
Rys. 5.5. Dystans analizowanych odcinków pomiarowych podczas przejazdu: a) przez miasto, b) po obwodnicy
a) b)
Rys. 5.6. Wartości średnie prędkości podczas przejazdu: a) przez miasto, b) po obwodnicy Konsekwencją mniejszej wartości prędkości średniej oraz dłuższego czasu przejazdu przez miasto było również większe zużycie paliwa, które dla przejazdu przez miejsco-wość wynosiło od 0,67 dm3 do 0,79 dm3 na badanym odcinku (około 14 km). Różnica między wartościami skrajnymi to 0,12 dm3, i jest to wartość zdecydowanie mniejsza niż uzyskana dla pomiarów zużycia paliwa na obwodnicy miejskiej, gdzie skrajne wyniki to 0,80 dm3 i 0,54 dm3, co skutkuje różnicą wynoszącą 0,26 dm3 (rys. 5.7b). Należy za-znaczyć, że wartości mniejsze uzyskano podczas przejazdu z kierunku południowego na północ (przejazd oznaczony jako 2-1 i 2-2), przy mniejszej prędkości średniej i dłuż-szym czasie przejazdu.
120910861190
Kierunek i nr przejazdu
750 645 710 645 681 696 683 589 610 590
0
Kierunek i nr przejazdu
13,60 13,68 13,56 13,73 13,76 13,87 13,85 13,81 13,83 13,95
0
Kierunek i nr przejazdu
14,12 13,77 13,70 13,67 13,71 13,68 13,67 13,76 13,77 13,60
0
Kierunek i nr przejazdu
40,5145,36
41,0145,10 44,79
34,06 34,22 31,19 34,09 34,22
0
Kierunek i nr przejazdu
67,76
Kierunek i nr przejazdu
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 51
a) b)
Rys. 5.7. Wartości średnie prędkości podczas przejazdu: a) przez miasto, b) po obwodnicy Zarejestrowane wartości natężenia emisji tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu oraz dwutlenku węgla zmieniają się zgodnie z charakterystyką ruchu drogowego pojazdu poruszającego się za pojazdem poprzedzającym (rys. 5.8–5.15). Ze względu na sposób przeprowadzania pomiarów – natężenie emisji związków szkodliwych podczas przejazdu przez miasto wykazuje mniejsze wahania. Wynika to z dużego natężenia ru-chu podczas przejazdu przez miasto, przez co pojazd poprzedzający nie mógł znacząco zmienić stylu jazdy. Obwodnica na której wykonywano pomiary to droga typu „2 + 1”, czyli ruch odbywa się w obu kierunkach na jednym pasie oraz okresowo na pewien dy-stans zaprojektowano dodatkowy pas do wyprzedzania. W chwili pojawienia się tego pasa, kiedy pojazd poprzedzający wykonywał manewr wyprzedzania, również kierowca samochodu badawczego rozpoczynał przyspieszanie, co jest powodem znacznych zmian w natężeniu emisji analizowanych związków spalin.
Przy przejeździe przez miasto, wartości natężenia emisji tlenku węgla osiągają war-tości do ok. 1,5 mg/s poza pojedynczymi wzrostami tej wielkości do ok. 2–2,5 mg/s (rys. 5.8a). Również na początku przejazdu 1-1 oraz 1-3 zarejestrowano wartości sięga-jące nawet ok. 4–6 mg/s, które jednak szybko osiągnęły poziom ok. 1,5 mg/s. Opisana odchyłka może być spowodowana brakiem stabilizacji cieplnej silnika na początku opi-sanych prób badawczych, ponieważ taką samą zależność zaobserwowano w przypadku natężenia emisji węglowodorów. Przejazd po obwodnicy charakteryzował się większym natężeniem wynikającym z większej prędkości obrotowej silnika oraz większego jego obciążenia – chwilowe wartości natężenia emisji tlenku węgla były większe niż podczas przejazdu przez miejscowość (rys. 5.8b).
a) b)
Rys. 5.8. Natężenie emisji tlenku węgla z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwod-nicą (b) w kierunku północ-południe
0,72 0,72 0,73
0,67 0,67 0,72 0,74 0,79
0,72 0,70
Kierunek i nr przejazdu
0
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO [mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO [mg/s]
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 52 Podobny charakter zmian uzyskano w pomiarach natężenia emisji tlenku węgla przeprowadzonych w kierunku przeciwnym – z południa w kierunku północnym. Uzy-skane wartości natężenia emisji tlenku węgla podczas przejazdu przez miasto są porów-nywalne – niezależnie od kierunku prowadzonych pomiarów wartości nie przekraczają 1–1,5 mg/s. Natomiast dla przejazdu obwodnicą natężenie emisji tego składnika w pierwszej fazie było większe niż w fazie końcowej. Wynikało to głównie z większej dynamiki przejazdu (mierzonej przyspieszeniem pojazdu) oraz gwałtownym zwiększe-niem obciążenia w środkowym fragmencie trasy, gdzie występowało skrzyżowanie z ruchem okrężnym (rys. 5.9).
a) b)
Rys. 5.9. Natężenie emisji tlenku węgla z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwod-nicą (b) w kierunku południe-północ
Podczas przejazdu przez miasto zwiększenie wartości natężenia emisji węglowodo-rów nie było aż tak znaczące, gdyż chwilowa wartość osiągnęła ok. 0,5 mg/s, podczas gdy przeciętnie rejestrowano wielkości z zakresu 0,1–0,4 mg/s (rys. 5.10a). Podczas przejazdu po obwodnicy emisja węglowodorów przeważnie osiągała wartości w prze-dziale 0,1–0,5 mg/s, jednak każda próba zmiany prędkości pojazdu, a zatem zmiana warunków pracy silnika spalinowego skutkowały chwilowym zwiększeniem natężenia emisji węglowodorów. W przypadku tego związku obserwowano chwilowe wzrosty do ok. 1,5 mg/s (rys. 5.10b). Bardzo zbliżony charakter miały wyniki uzyskane podczas przejazdu w kierunku przeciwnym: południe-północ zarówno dla przejazdu przez mia-sto, jak i podczas jazdy po obwodnicy (rys. 5.11).
a) b)
Rys. 5.10. Natężenie emisji węglowodorów z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i ob-wodnicą (b) w kierunku północ-południe
0
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO [mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO [mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
HC [mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
HC [mg/s]
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 53
a) b)
Rys. 5.11. Natężenie emisji węglowodorów z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i ob-wodnicą (b) w kierunku południe-północ
Natężenie emisji tlenków azotu podczas przejazdu przez miasto przyjmowało najczę-ściej wartości poniżej 0,5 mg/s (niezależnie od kierunku jazdy). Co pewien czas reje-strowano zwiększenie natężenia emisji tlenków azotu do ok. 4 mg/s, co wynikało z przyspieszania pojazdu – głównie podczas ruszania (rys. 5.12a i 5.13a). Podczas prze-jazdu po obwodnicy silnik poprze-jazdu był bardziej obciążony, co mogłoby wskazywać na większe natężenie emisji tlenków azotu. Jednak podczas ustalonej pracy silnika reje-strowane wartości są zbliżone, jak podczas przejazdu przez miasto. Spowodowane to jest działaniem trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. Dopiero chwilowe zwiększenie obciążenia silnika powoduje chwilowe (gwałtowne) zwiększenie natężenia emisji tlen-ków azotu nawet do ponad 12 mg/s (rys. 5.12b i 5.13b).
a) b)
Rys. 5.12. Natężenie emisji tlenków azotu z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i ob-wodnicą (b) w kierunku północ-południe
a) b)
Rys. 5.13. Natężenie emisji tlenków azotu z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i ob-wodnicą (b) w kierunku południe-północ
0,0
0 3000 6000 9000 12000 15000
HC [mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
HC [mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
NOx[mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
NOx[mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
NOx[mg/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
NOx[mg/s]
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 54 Natężenie emisji dwutlenku węgla podczas jazdy miejskiej (rys. 5.14a i 5.15a) cha-rakteryzowało się nie przekraczaniem wartości 3 g/s. Z dużym prawdopodobieństwem można przyjąć, że wartość średnia wynosiła około 1,5 g/s (niezależnie od kierunku po-miarowego podczas jazdy w mieście). Natomiast przejazd obwodnicą charakteryzował się uzyskiwaniem do 5 g/s, z chwilowym zwiększeniem tej wartości do poziomu około 10 g/s (rys. 5.14b i 5.15b) – było to spowodowane zwiększeniem obciążenia silnika lub jego prędkości obrotowej (wynikowo prędkości jazdy – co pokrywa się z tą charaktery-styką przedstawioną np. na rys. 5.3b).
a) b)
Rys. 5.14. Natężenie emisji dwutlenku węgla z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) i obwodnicą (b) w kierunku północ-południe
a) b)
Rys. 5.15. Natężenie emisji dwutlenku węgla z pojazdu podczas przejazdu przez miasto (a) obwodnicą (b) w kierunku południe-północ
W kolejnym etapie analizy zaprezentowano przebiegi masy związków szkodliwych w sposób narastający. Miało to na celu wykazanie, nie tylko wartości końcowej, ale również zmian w poszczególnych przejazdach. Natężenie emisji poszczególnych związków szkodliwych sumowane co 1 s, umożliwiło uzyskanie masy związku szko-dliwego wyemitowanego na odcinku pomiarowym. Na kolejnych rysunkach zaprezen-towano wykresy skumulowane wartości natężenia emisji – wartości maksymalne ozna-czają całkowitą masę danego związku szkodliwego wyznaczonego w poszczególnych przejazdach.
Wyznaczone przebiegi (narastająco) masy tlenku węgla podczas przejazdu przez miasto charakteryzują się specyficznym zwiększeniem tej wartości w środkowej części trasy (rys. 5.16a i 5.17a). Ma to związek ze skrzyżowaniem, które występowało na tym odcinku – a wymagało to zatrzymania pojazdu i ponownego przyspieszania do wartości
0
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO2[g/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO2[g/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO2[g/s]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO2[g/s]
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 55 ustalonej. Wszystkie zarejestrowane przebiegi podczas jazdy przez miejscowość cha-rakteryzowały się znaczną powtarzalnością, która nie występowała już dla pomiarów podczas jazdy obwodnicą (rys. 5.16b i 5.17b). Uzyskiwane wartości końcowe w dużej mierze zależały od dynamicznych warunków ruchu – które dla przejazdu oznaczonego jako 1-4 były znaczące i odbiegają od pozostałych uzyskanych wyników (rys. 5.16b).
Dla przejazdów oznaczonych jako 2-1 i 2-2 (rys. 5.17b), charakteryzujących się naj-mniejszą prędkością średnią i najmniejszym zużyciem paliwa osiągnięto najnaj-mniejszą masę wyemitowanego tlenku węgla wynoszącą około 460 mg (dla kierunku przejazdu południe-północ).
a) b)
Rys. 5.16. Masa tlenku węgla (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku północ-południe na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą
a) b)
Rys. 5.17. Masa tlenku węgla (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku południe-północ na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą
Masa wyemitowanych węglowodorów dla wszystkich przejazdów przez centrum Ży-rardowa oznaczonych symbolami 1-x zawiera się w granicach 150–220 mg (niezależnie od kierunku jazdy w którym następował pomiar – rys. 5.18a i 5.19a), natomiast podczas przejazdu po obwodnicy miasta, masa węglowodorów wynosiła 140–210 mg. Mniej-szym rozrzutem wartości charakteryzował się przejazd miejski, który swoim przebie-giem był zbliżony do przebiegu zmian masy tlenku węgla. Podczas przejazdu po ob-wodnicy wartości sumarycznej masy węglowodorów są mniejsze lub porównywalne z wartościami uzyskiwanymi podczas przejazdu przez miasto. Świadczy to o wydajniej-szej pracy układów oczyszczania spalin, mimo większego natężenia przepływających spalin, dzięki większym wartościom temperatury spalin, a co się z tym wiąże elemen-tów reaktora katalitycznego.
0
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO [mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO [mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO [mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO [mg]
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 56
a) b)
Rys. 5.18. Masa węglowodorów (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku północ-południe na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą
a) b)
Rys. 5.19. Masa węglowodorów (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku południe-północ na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą
Przebieg – określonej narastająco – masy tlenków azotu podczas przejazdu przez miasto był bardzo powtarzalny (rys. 5.20a i 5.21a). Uzyskane wartości końcowe mieści-ły się w zakresie od 170 mg do 250 mg; dla tego samego kierunku badań rozrzut wyni-ków nie był większy niż 50 mg. Większą niepowtarzalnością charakteryzował się po-miar tej wielkości prowadzony podczas jazdy obwodnicą – niezależnie od kierunku prowadzonych badań (rys. 5.20b i 5.21b). Uzyskiwane przebiegi świadczą o dynamicz-nej jeździe, a jednocześnie dla przytaczanych wcześniej przebiegów (oznaczonych jako 2-1 i 2-2 na rys. 5.21b) wartości masy tlenków azotu otrzymano najmniejsze (dla kie-runku południe-północ).
a) b)
Rys. 5.20. Masa tlenków azotu (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku północ-południe na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą
0
0 3000 6000 9000 12000 15000
HC [mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
HC [mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
HC [mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
HC [mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
NOx[mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
NOx[mg]
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 57
a) b)
Rys. 5.21. Masa tlenków azotu (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku południe-północ na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą
Skumulowana masa dwutlenku węgla charakteryzuje się najmniejszym rozrzutem wartości (niezależnie od trasy pomiarowej i kierunku prowadzonych badań). Rozrzut tych wartości dla części miejskiej nie przekracza 200 g (co stanowi wartość poniżej 10% uzyskiwanych wyników – rys. 5.22a i 5.23a), natomiast dla jazdy obwodnicą nie przekracza 400 g. Stanowi to już większy udział procentowy (ok. 40%), wynikający z faktu uzyskiwania mniejszych wartości tej wielkości podczas badań w kierunku połu-dnie-północ (rys. 5.23).
a) b)
Rys. 5.22. Masa dwutlenku węgla (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku północ-południe na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą
a) b)
Rys. 5.23. Masa dwutlenku węgla (przedstawiona sumarycznie) emitowana w czasie pomiaru w kierunku południe-północ na trasie przejazdu: a) przez miasto, b) obwodnicą
0
0 3000 6000 9000 12000 15000
NOx[mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
NOx [mg]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO2[g]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO2[g]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO2[g]
0 3000 6000 9000 12000 15000
CO2[g]
5. Wpływ infrastruktury drogowej na emisję spalin z pojazdów 58