6. Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu – badania w rzeczywistych
6.1. Wpływ sposobu rozpędzania pojazdu na emisję substancji szkodliwych
6.1.2. Rozpędzanie pojazdu z zastosowaniem różnej liczby biegów
Na podstawie przeprowadzonych badań emisji spalin z pojazdów typu PC i LDV uzyskano wyniki dotyczące efektów energetycznych oraz najmniejszych obciążeń środowiskowych dla różnego sposobu rozpędzania pojazdu – wykorzystanie różnej liczby biegów. Uwzględniono też wpływ dynamiki tego rozpędzania. Prędkość i przyspieszenie określano na podstawie danych z pokładowego rejestratora parametrów ruchu pojazdu. Analizowano przejazdy testowe, gdy pojazdy przyspieszały od fazy zatrzymania (postoju) do uzyskania stałej prędkości jazdy wynoszącej 45–60 km/h.
Rozpędzania samochodów do danej prędkości dokonywano przy zastosowaniu różnego przełożenia w skrzyni biegów (możliwego w danych warunkach jazdy). W przypadku mniejszych prędkości jazdy stosowano maksymalnie 3. i 4. bieg (skrzynie przekładniowe wszystkich pojazdów były manualne, 5-biegowe). Natomiast w przypadku większych prędkości jazdy – powyżej 55 km/h – stosowano maksymalnie 3., 4. i 5. bieg.
W trakcie prowadzonych badań dokonywano pomiarów parametrów ruchu (jazdy) oraz toksyczności spalin stosując – oprócz różnego przełożenia w skrzyni przekładniowej – dwa sposoby rozpędzania pojazdu, określone jako: jazda normalna oraz agresywna. Definicje tych sposobów ruszania pojazdem z miejsca przyjęto następująco:
‒ jazda normalna – powolne przyspieszanie, zmiana biegu przy n = 2400–2900 obr/min (PC1) oraz przy n = 1900–2400 obr/min (PC2), maksymalne i średnie przyspieszenie wzdłużne odpowiednio ok. 2,0 m/s2 oraz 0,9 m/s2,
‒ jazda agresywna – bardzo dynamiczne przyspieszanie, zmiana biegu przy prędkości obrotowej powyżej 2900 obr/min (PC1) oraz przy prędkości obrotowej powyżej 2400 obr/min (PC2), maksymalne i średnie przyspieszenie wzdłużne powyżej odpowiednio 2,5 m/s2 i 1,3 m/s2.
Jazdy testowe wykonywano na około 250-metrowym odcinku pomiarowym, wolnym od ruchu drogowego (rys. 5.17). W trakcie badań wykonano po kilkanaście przejazdów dla każdej prędkości maksymalnej (Vmax). Wszystkie wykonane próby, z podziałem na dany zastosowany bieg i styl rozpędzania pojazdu, dla celów analizy poddano uśrednieniu. Wybrane zarejestrowane przebiegi prędkości jazdy dla jednego z obiektów badań zaprezentowano na rysunku 6.26.
0
Rys. 6.26. Prędkość samochodu PC2 jako funkcja czasu jazdy [46]
Na wykresach przedstawionych na rysunku 6.27 zawarto dla przykładu informacje na temat chwilowego przyspieszenia uzyskiwanego przez jeden z obiektów badań – samochód PC2 – w trakcie stosowania dwóch odmiennych sposobów jego rozpędzania. Maksymalne przyspieszenie tego pojazdu dla przejazdów agresywnych mieści się w zakresie 2,55–2,85 m/s2, natomiast dla przejazdów normalnych jest znacznie mniejsze, przyjmując wartości w granicach 2,00–2,45 m/s2. Jako wyznacznik dynamiki rozpędzania samochodów badawczych przyjęto, na potrzeby przedmiotowej analizy, przyspieszenie uzyskane przez poszczególny pojazd między 3. a 8. sekundą rozpędzania (tab. 6.7). Dodatkowo obliczono również średnie przyspieszenie dla całego okresu rozpędzania samochodów.
Rys. 6.27. Charakterystyki przyspieszania pojazdu jako funkcji czasu jazdy (PC2) [46]
Tabela 6.7. Wartości przyspieszenia uzyskane w trakcie przejazdów (PC2) agresywnie
Na podstawie zmierzonych stężeń w każdym z rozpatrywanych przejazdów obliczono masę całkowitą substancji szkodliwych. Przykładowy przebieg skumulowanej emisji dwutlenku węgla przedstawiono na rys. 6.28. Masa CO2 w przypadku przyspieszania samochodem PC2 przy wykorzystaniu maksymalnie 3.
biegu (jazda normalna) i 4. biegu (jazda agresywna) charakteryzuje się zbliżonymi wartościami. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że samochód przejechał w trakcie tych dwóch przejazdów inną drogę.
Rys. 6.28. Masa całkowita dwutlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (PC2, Vmax = 50 km/h) [46]
Na podstawie otrzymanej, w wyniku wcześniejszych obliczeń, skumulowanej emisji poszczególnych substancji szkodliwych spalin, obliczono następnie ich emisję drogową dla każdego przejazdu (rys. 6.29–6.32). Poszczególne sposoby przyspieszania pojazdem w zakresie zmienności zastosowanego przełożenia w skrzyni biegów oraz dynamiki rozpędzania cechują się bardzo odmienną emisją CO, CO2, HC i NOx. Umiarkowane przyspieszanie pojazdem skutkuje – czasami nawet kilkukrotnie – mniejszą drogową emisją tych związków gazowych.
a) b)
Rys. 6.29. Emisja drogowa tlenku węgla dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
a) b)
Rys. 6.30. Emisja drogowa dwutlenku węgla dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
a) b)
Rys. 6.31. Emisja drogowa węglowodorów dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
a) b)
Rys. 6.32. Emisja drogowa tlenków azotu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
Jak już wspomniano, dla osiągnięcia większych prędkości jazdy stosowano maksymalną, przewidzianą konstrukcją skrzyni przekładniowej, liczbę biegów.
W przypadku zastosowania w końcowej fazie rozpędzania pojazdu 5. biegu, czyli najmniejszego możliwego przełożenia, daje się zauważyć już wyraźnie mniejszą emisję drogową poszczególnych związków gazowych spalin (rys. 6.33–6.36). Silnik pojazdu pracuje wtedy w warunkach większego obciążenia, przy małej prędkości obrotowej.
Dotyczy to zarówno jazdy normalnej, jak i agresywnej.
a) b)
Rys. 6.33. Emisja drogowa tlenku węgla dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
a) b)
Rys. 6.34. Emisja drogowa dwutlenku węgla dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
a) b)
Rys. 6.35. Emisja drogowa węglowodorów dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
a) b)
Rys. 6.36. Emisja drogowa tlenków azotu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
Ze względu na przewidzianą ocenę również skutków energetycznych, w wyniku zastosowania różnego sposobu rozpędzania obiektów badań, obliczono wartości przebiegowego zużycia paliwa. Uzyskane w trakcie przeprowadzonych badań drogowych wartości tego zużycia paliwa dla pojazdów PC1 i PC2 oraz prędkości maksymalnej równej 50 i 60 km/h zaprezentowano na rysunkach 6.37 i 6.38. Wynika z nich, że pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdów ze względów energetycznych (i ekologicznych zarazem) są przejazdy, w których zastosowano możliwie najwyższy
bieg: 4. dla prędkości równej 50 km/h oraz 5. dla prędkości wynoszącej 60 km/h.
Należy w tym miejscu podkreślić, iż widoczne bardzo duże wartości emisji drogowej i przebiegowego zużycia paliwa wynikają z dynamicznych, nieustalonych warunków pracy silników i dotyczą wyłącznie czasu rozpędzania pojazdów.
a) b)
Rys. 6.37. Przebiegowe zużycie paliwa dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
a) b)
Rys. 6.38. Przebiegowe zużycie paliwa dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:
a) pojazd PC1, b) pojazd PC2
W celu wykazania różnic w emisji drogowej poszczególnych substancji szkodliwych oraz zużyciu paliwa przez pojazdy PC1 i PC2, obliczono ich względną różnicę procentową wobec stosowanego największego – spośród trzech analizowanych – przełożenia w skrzyni przekładniowej (3. bieg). W formie zbiorczej dla obu obiektów badań oraz dwóch maksymalnych prędkości jazdy zaprezentowano to na rysunkach 6.39–6.43. Z zestawienia wynika, że należy stosować wyższy bieg, przy jednoczesnej mniejszej wartości prędkości obrotowej silnika pojazdu. Dotyczy to zwłaszcza przypadku, w którym Vmax = 60 km/h oraz zastosowano 5. bieg.
Z przeprowadzonych badań wynika, że uzyskuje się wtedy największą redukcję emisji CO i HC, która wynosi (odpowiednio) przynajmniej: 30 i 25 % (rys. 6.41 i 6.42).
a) b)
Rys. 6.39. Różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla
a) b)
Rys. 6.40. Różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h: a) węglowodorów, b) tlenków azotu
a) b)
Rys. 6.41. Różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla
a) b)
Rys. 6.42. Różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h: a) węglowodorów, b) tlenków azotu
a) b)
Rys. 6.43. Różnice w przebiegowym zużyciu paliwa względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do: a) Vmax = 50 km/h, b) Vmax = 60 km/h
Badania drogowe, mające na celu wykazanie wpływu zastosowanego przełożenia w skrzyni przekładniowej między innymi na emisję spalin w trakcie rozpędzania pojazdu, wykonano również dla trzech samochodów użytkowych (dostawczych):
LDV1–LDV3. W przypadku tej grupy pojazdów, m.in. z racji ich większej masy i wolniejszego rozpędzania się na krótkim odcinku pomiarowym, głównie ze względów bezpieczeństwa stosowano nieco mniejsze maksymalne prędkości jazdy (45 i 55 km/h).
Analogicznie, jak w przypadku samochodów osobowych, obliczono dla każdego przejazdu najpierw emisję drogową poszczególnych substancji szkodliwych w spalinach (rys. 6.44–6.47), a następnie na jej podstawie określono przebiegowe zużycie paliwa przez badane pojazdy typu LDV (rys. 6.48).
a) b)
Rys. 6.44. Emisja drogowa tlenku węgla z pojazdu LDV2 – rozpędzanie od 0 do:
a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h
a) b)
Rys. 6.45. Emisja drogowa dwutlenku węgla z pojazdu LDV2 – rozpędzanie od 0 do:
a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h
a) b)
Rys. 6.46. Emisja drogowa węglowodorów z pojazdu LDV2 – rozpędzanie od 0 do:
a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h
a) b)
Rys. 6.47. Emisja drogowa tlenków azotu z pojazdu LDV2 – rozpędzanie od 0 do:
a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h
a) b)
Rys. 6.48. Przebiegowe zużycie paliwa przez pojazd LDV2 – rozpędzanie od 0 do:
a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h
Analiza procentowych różnic w emisji drogowej substancji szkodliwych oraz przebiegowym zużyciu paliwa (wobec stosowanego 3-go biegu) wykazuje, że w największym stopniu można ograniczyć zawartość tlenku węgla i węglowodorów w spalinach w wyniku zastosowania „korzystniejszego” przełożenia w skrzyni biegów (podobnie jak w przypadku pojazdów PC1 i PC2). W przypadku badanych samochodów dostawczych, zauważyć można ponadto większe różnice procentowe w zużyciu paliwa – a tym samym w emisji dwutlenku węgla do atmosfery – w porównaniu do tych zaobserwowanych różnic dla samochodów osobowych (rys.
6.49‒6.53).
a) b)
Rys. 6.49. Procentowe różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 45 km/h: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla
a) b)
Rys. 6.50. Procentowe różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 45 km/h: a) węglowodorów, b) tlenków azotu
a) b)
Rys. 6.51. Procentowe różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 55 km/h: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla
a) b)
Rys. 6.52. Procentowe różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 55 km/h: a) węglowodorów, b) tlenków azotu
a) b)
Rys. 6.53. Procentowe różnice w przebiegowym zużyciu paliwa względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do: a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h
Przedstawiono ocenę skutków ekologicznych i nakładów energetycznych w wyniku eksploatacji pojazdu w zależności od przyjętego sposobu i dynamiki jego rozpędzania do zamierzonej prędkości jazdy. Wykonane badania drogowe kilku pojazdów, uwidoczniły znaczący wpływ stosowanego przez kierowcę stylu rozpędzania pojazdu na emisję substancji szkodliwych w spalinach oraz przebiegowe zużycie paliwa. Należy wskazać na znaczny wzrost wartości emisji drogowej tych substancji oraz zużycia paliwa w wyniku zastosowania bardzo dynamicznego przyspieszania.
Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały, że najmniejsze skutki ekologiczne, a przy okazji również najmniejsze nakłady energetyczne (wielkość eksploatacyjnego zużycia paliwa), ponosi się przy umiarkowanym rozpędzaniu pojazdu. Analizując wyniki pomiarów należy wskazać także na znaczne zmniejszenie emisji spalin oraz przebiegowego zużycia paliwa w wyniku zastosowania mniejszych przełożeń w skrzyni przekładniowej (wyższych biegów) w trakcie przyspieszania, i to zarówno w przypadku jazdy normalnej, jak i agresywnej. Na drogach dość często można zaobserwować stosowanie przez kierowców dynamicznego – a nawet bardzo agresywnego – sposobu ruszania pojazdem z miejsca oraz zbyt długie stosowanie przez nich niższych biegów – duża prędkość obrotowa silnika – w trakcie wykonywania tego manewru. Mając na uwadze wnioski wyciągnięte z przeprowadzonych badań warto podkreślić, że może to nie tylko wpływać negatywnie na ekonomię eksploatacji pojazdów silnikowych, ale także, i to w dużym stopniu, na środowisko naturalne. Pomimo, że badania wykonano dla kilku reprezentatywnych pojazdów, przewiduje się, że zauważone zależności mają odniesienie również do innych środków transportu.