Możliwości oceny wpływu zmiany infrastruktury drogowej na emisję związków szkodliwych spalin pojazdów

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J

z. 98 Transport 2013

Jerzy Merkisz, Mateusz Nowak, Jacek Pielecha

Pawe Fu , Agnieszka Merkisz-Guranowska

Politechnika Poznaska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu

MOLIWOCI OCENY WPYWU ZMIANY

INFRASTRUKTURY DROGOWEJ NA EMISJ

ZWIZKÓW SZKODLIWYCH SPALIN POJAZDÓW

Rkopis dostarczono, kwiecie 2013

Streszczenie: Obecnie na drogach krajowych i europejskich cigle wprowadzane s zmiany, majce

na celu m. in. skróci czas podró y, zwikszy bezpieczestwo podró ujcych, zmniejszy negatywne oddziaywanie poruszajcych si pojazdów na rodowisko naturalne. W artykule scharakteryzowano zagadnienia dotyczce mo liwoci oceny wprowadzonych i planowanych zmian w przebiegu szlaków komunikacyjnych w obrbie zró nicowanej infrastruktury drogowej. Gównym kryterium, które podlegao analizie to emisja zwizków szkodliwych spalin.

Sowa kluczowe: obwodnice, badania emisyjne, symulacje

1. WSTP

Cigy rozwój jest niezbdny, aby by konkurencyjnym. Dewiza ta dotyczy ka dej dziedziny ycia, równie infrastruktury drogowej. Jednak mo na zadawa sobie pytania, jak zmierzy ten postp uzyskany dziki przebudowie aktualnych dróg lub budowie zupenie nowych traktów komunikacyjnych. Zagadnienia te s tym bardziej istotne, im wicej pojazdów porusza si po drogach. Najlepiej jeli ró nice mo na oceni przed rozpoczciem inwestycji, by istniaa jeszcze mo liwo dokonania ewentualnej modyfikacji, aby po uwzgldnieniu wybranego kryterium zaprojektowano jak najlepsze rozwizanie. Ocenie mog podlega np.: wska niki dotyczce bezpieczestwa na drodze, wska niki ekologiczne lub ekonomiczne.

W artykule dokonano przegldu metod oceny oddziaywania inwestycji drogowej na rodowisko naturalne. Metody te wykorzystuj uniwersalne dane empiryczne, które s wykorzystywane podczas analiz wykonywanych podczas budowy nowoczesnej infrastruktury drogowej oraz badania przejazdowe wykonane podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdów. Ka d z metod poddano ocenie pod wzgldem jej przydatnoci oraz wiarygodnoci uzyskiwanych wyników. Poza tym istotnym aspektem jest koszt

uzyskania wyników, który w wikszoci przypadków jest decydujcy podczas wyboru okrelonej metody.

2. OPIS WYBRANYCH METOD OCENY ODDZIAYWANIA

RODOWISKOWEGO INWESTYCJI DROGOWEJ

2.1. METODA WYKORZYSTUJCA WSKANIKI EMISJI

ZANIECZYSZCZE JAKO FUNKCJ MASY SPALONEGO PALIWA

Metoda wykorzystujca wska niki emisji zanieczyszcze jako funkcj masy spalonego paliwa jest jedn z najbardziej popularnych metod wykorzystywanych podczas tworzenia raportów dotyczcych oddziaywania rodowiskowego inwestycji na rodowisko (np. [1]). Podstaw do wykonywania analiz z wykorzystaniem tej metody jest pismo: MOZNiL nr Pzmot/063/8/93 z dnia 1.02.1993 r., w którym przyjto nastpujce wartoci wska ników emisji zwizków szkodliwych odniesione do kilograma spalonego paliwa, przedstawione w tabl. 1.

Aby wykona analiz rodowiskow wedug tej metody, nale y postpowa w nastpujcej kolejnoci:

x przyj prognozowan struktur i nat enie ruchu na analizowanym odcinku drogi,

x zao y udzia poszczególnych typów silników w pojazdach ró nych kategorii. Do zalet omawianej metody nale y zaliczy krótki czas i may koszt uzyskania wyników. Jednak przy wyborze tej metody, nale y liczy si z du  niedokadnoci, gdy przyjmowane parametry s przestarzae (ustawa z roku 1993). Poza tym, obecnie nie uwzgldnia si emisji SO2 i Pb, poniewa w przypadku pojazdów z silnikami ZI stosuje si benzyny bezoowiowe, a do zasilania silników ZS stosuje si oleje napdowe o niskiej zawartoci siarki (mniej ni 10 ppm). Przestarzae jest równie nazewnictwo, gdy obecnie nie u ywa si pojcia emisja sadzy. Aktualnie stosowane pojcie to emisja czstek staych, które oprócz czci wglowej (sadzy) zawieraj szkodliwe substancje pochodzce z niespalonego paliwa, oleju smarujcego i inne [2].

Mo liwoci oceny wpywu zmiany infrastruktury drogowej 457

Tablica 1

Emisja zanieczyszcze w g/kg spalonego paliwa [1]

2.2. ANALIZA Z WYKORZYSTANIEM POMIARÓW

W WARUNKACH RZECZYWISTYCH

Metoda, w której wykorzystuje si pomiary przeprowadzone podczas przejazdów w rzeczywistym ruchu drogowym jest uwa ana za wiarygodn, gdy odwzorowuje stan faktyczny. Ró nice mog wynika jedynie z odmiennego stylu jazdy kierowcy, jednak aspekt ten nie jest problemem, przy odpowiedniej metodyce bada. Aby prawidowo móc zinterpretowa wyniki, pomiary wykonuje si podczas przejazdów za pojazdem poprzedzajcym (za liderem). Nastpnie wykonuje si po kilka przejazdów w obie strony, przez co styl jazdy kierowcy nie ma du ego znaczenia podczas analizy wyników. Niewtpliw wad tej metody jest czas potrzebny do uzyskania wyników oraz koszt bada. Koszt jednak jest du y podczas tworzenia baz danych dotyczcych emisji z ró nych kategorii pojazdów. Kiedy taka baza zostanie ju stworzona, mo na symulowa przejazdy pojazdami na dowolnym odcinku drogi, wymaga to jedynie znajomoci udziaów

czasowych prdkoci i przyspieszenia uzyskiwanych dla przejazdu tego odcinka.

Wartoci nat enia emisji spalin pojazdów osobowych wyznacza si na podstawie przeprowadzonych bada w rzeczywistych warunkach ruchu, wykorzystujc mobiln aparatur pomiarow (m.in. analizator spalin Semtech DS firmy Sensors Inc.). Na tej podstawie mo na wyznaczy emisj poszczególnych zwizków szkodliwych (rys. 1) oraz parametry przejazdu porównywanych tras. Podczas przejazdu badawczego, rejestrowane s równie dane z systemu pozycjonowania oraz pokadowego systemu diagnostycznego, co umo liwia analiz udziaów czasowych parametrów jazdy, pracy silnika oraz emisji poszczególnych zwizków szkodliwych jako funkcji parametrów jazdy (rys. 2).

Przejazdy w warunkach rzeczywistych mo na porównywa w odniesieniu do testów homologacyjnych, wyznaczajc wska niki emisji (odnoszce si do poszczególnych zanieczyszcze). Mo na wyró ni nastpujce rodzaje wska ników emisji (rys. 3):

– chwilowy – cechuje go du a zmienno, gdy jest obliczany w ka dej sekundzie testu, – narastajcy w trakcie wykonywania testu, obliczany jako bie ca emisja drogowa danego zwizku szkodliwego (od pocztku testu do chwili bie cej) w stosunku do wartoci normatywnej;

– odnoszcy si do caego testu badawczego jako stosunek emisji drogowej w tecie drogowym wykonywanym w rzeczywistych warunkach ruchu do wartoci normatywnej.

Wska nik emisji pojazdu (danego zwizku szkodliwego) zdefiniowano jako:

E E k j WHTC), NEDC(ETC, j rzecz, j (1)

gdzie: j – zwizek szkodliwy, dla którego okrelono wska nik emisji,

Erzecz,j – nat enie emisji w warunkach rzeczywistych [g/s],

ENEDC,j – nat enie emisji zmierzone w tecie NEDC [g/s] lub w innym tecie

badawczym, np. odnoszcym si do pojazdów ci arowych (ETC, WHTC).



Rys. 1. Ró nice emisji podczas przejazdu dwoma ró nymi trasami w obrbie tej samej mikroinfrastruktury miejskiej [3]

Mo liwoci oceny wpywu zmiany infrastruktury drogowej 459



Rys. 2. Charakterystyka nat enia emisji HC z pojazdu [5]

Rys. 3. Wartoci nat enia emisji CO oraz wska ników emisji drogowej dla samochodu osobowego speniajcego norm emisji spalin Euro 4 [4]

Wska nik emisji drogowej danego zwizku szkodliwego mo e przybiera wartoci z przedziau . Oznacza to, e je eli emisja drogowa z pojazdu nie przekracza wartoci normatywnych, wska nik ma warto mniejsz od jednoci, przy przekroczeniu wartoci normatywnej wska nik jest wikszy od jednoci, a gdy emisja rzeczywista jest równa normatywnej, wska nik wynosi 1 [6]. Dziki wska nikom emisji mo na porówna emisj normatywn danego pojazdu z emisj rzeczywist, co mo e by wyznacznikiem waciwoci ekologicznych danej trasy.

-2 -1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,52 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 a [m/s2_] HC [ m g /s ] V [m/s]

2.2. ANALIZA Z WYKORZYSTANIEM OPROGRAMOWANIA

SYMULACYJNEGO

Badanie wpywu zmian infrastruktury drogowej na czas przejazdu oraz wartoci emisyjne mo liwe jest dziki wykorzystaniu dedykowanego to tego celu oprogramowania symulacyjnego (np. Visum, Vissim, MatSim).

Wród omawianego oprogramowania, jedne wykorzystuj rodowisko graficzne, dziki któremu s atwiejsze do obsugi przez szersze grono osób odpowiedzialnych za kwestie zwizane z zarzdzaniem ruchem drogowym. Do tej grupy nale y m.in. oprogramowanie: Visum i Vissim. Drugi typ oprogramowania posiada rodowisko tekstowe, do którego obsugi wymagana jest znajomo odpowiedniego jzyka programowania. W obu przypadkach wad jest dugi czas tworzenia sieci drogowej, nat enia ruchu pojazdów (poprzez definiowanie zapotrzebowania na podró e) oraz tworzenie struktury pojazdów. Do zalet nale y zaliczy atwo zmiany przebiegu wybranego odcinka lub uzupenienia trasy (np. obwodnicy miasta), po czym wykona charakterystyki nat enia ruchu w obu przypadkach i je porówna.

3. PODSUMOWANIE

Podczas podejmowania decyzji o doborze metody su cej do okrelenia wpywu planowanych zmian w infrastrukturze drogowej nale y rozwa y takie kwestie, jak dokadno wybranej metody, czas wykonywania analizy oraz jej koszt. Obecnie najbardziej popularna jest metoda polegajca na doborze wska ników emisji jako funkcji masy spalonego paliwa. Spowodowane to jest z pewnoci najmniejszym kosztem uzyskania wyników, jednak metoda ta jest najmniej dokadna sporód opisanych w niniejszym artykule. Przyczyn niedokadnoci tej metody s przede wszystkim przestarzae dane wejciowe, przyjmowane podczas modelowania.

Przy stale zmieniajcych si warunkach pracy pojazdów (inne nat enie emisji spalin) oraz strukturze pojazdów (unowoczenianie parku samochodowego) bazowanie na wska nikach z 1993 roku powoduje znaczne zawy enie obliczanej masy zwizków szkodliwych. Aby dokona wiarygodnej oceny rozpatrywanych w artykule zagadnie, proponuje si ocen oddziaywania rodowiskowego na podstawie bada emisji spalin pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu.

Bibliografia

1. Informacja rodowiskowa – obwodnica Frampola. www.obwodnica-frampol.pl.

2. Merkisz J.: Emisja czstek staych przez silniki spalinowe o zaponie samoczynnym. Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 1997.

3. Merkisz J., Fu P., Pielecha J., Nowak M.: Ocena parametrów emisyjnych pojazdu dla zró nicowanej mikroinfrastruktury miejskiej. Silniki Spalinowe, nr 3, 2013.

Mo liwoci oceny wpywu zmiany infrastruktury drogowej 461

4. Merkisz J., Pielecha J., Nowak M.: Emisja zanieczyszcze z pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu na przykadzie aglomeracji poznaskiej. Postp Nauki i Techniki, nr 15, Radom 2012.

5. Merkisz J., Pielecha J., Nowak M.: Wyznaczenie parametrów emisyjnych pojazdu podczas przejazdu przez miejscowo. Technika Transportu Szynowego nr 9, 2012, s. 729.

6. Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: Emisja zanieczyszcze motoryzacyjnych w wietle nowych przepisów Unii Europejskiej. WK, Warszawa 2012.

POSSIBILITIES OF CHANGES IN ROAD INFRASTRUCTURE IMPACT ASSESSMENT ON VEHICLES EXHAUST EMISSION

Summary: Currently on polish and European roads there are permanent changes carried, which aim is to:

reduce travel time, increase the travelers safety and decrease the negative impact of road vehicles on the environment. This paper contains issues which describe the possibilities of capacity assessment of planned changes introduced in the main transportation routes within different road infrastructure. The main criterion, which was subject to analysis is the vehicles exhaust emission.