Analiza wpływu rodzaju układu napędowego i parametrów ruchu autobusów miejskich na ekologiczne wskaźniki pracy

P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A

W YDZIAŁ M A S ZYN R OB OC ZY CH I T RA NSP ORT U

ROZPRAWA DOKTORSKA

mgr inż. Łukasz Rymaniak

Analiza wpływu rodzaju układu napędowego i parametrów ruchu autobusów miejskich

na ekologiczne wskaźniki pracy

Promotor:

prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz

P OZNAŃ 2016

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Oświadczenie dotyczące promocji projektu

pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”,

Poddziałanie 8.2.2 PO KL realizowanego w latach 2013–2014

Oświadczam, że byłem stypendystą w ramach projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

I declare that I was a scholarship holder within the project “Scholarship support for

Ph.D. students specializing in majors strategic for Wielkopolska’s development”, Sub-

measure 8.2.2 Human Capital Operational Programme, co-financed by European Union

under the European Social Fund.

2

Spis treści

Streszczenie ... 4

Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń... 6

1. Wstęp ... 8

1.1. Wprowadzenie ... 8

1.2. Nowoczesne konstrukcje autobusów miejskich ... 11

2. Cel i zakres pracy ... 19

3. Regulacje prawne dotyczące badań i homologacji autobusów miejskich ... 22

3.1. Wybrane przepisy obowiązujące w Unii Europejskiej ... 22

3.2. Homologacja autobusów miejskich w zakresie emisji jednostkowej zanieczyszczeń ... 25

4. Metodyka badań własnych ... 38

4.1. Obiekty badań ... 38

4.2. Aparatura pomiarowa ... 40

4.3. Warunki realizacji pomiarów ... 43

4.4. Program badań ... 47

4.5. Metoda wyznaczania charakterystyk udziałów czasu pracy oraz natężenia emisji jednostkowej i drogowej zanieczyszczeń ... 48

5. Analiza parametrów ruchu autobusów i pracy układów napędowych w testach badawczych ... 51

5.1. Uwagi dotyczące analizy parametrów ruchu autobusów i pracy układów napędowych ... 51

5.2. Znormalizowany test drogowy SORT 1 ... 51

5.3. Znormalizowany test drogowy SORT 2 ... 55

5.4. Znormalizowany test drogowy SORT 3 ... 59

5.5. Trasa badawcza nr 1 ... 63

5.6. Trasa badawcza nr 2 ... 69

5.7. Trasa badawcza nr 3 ... 75

5.8. Linia miejska ... 82

5.9. Podsumowanie analiz dotyczących parametrów pracy autobusów i układów napędowych ... 88

6. Parametry pracy silników spalinowych w testach homologacyjnych ... 89

6.1. Dynamiczne testy homologacyjne ... 89

6.2. Porównanie parametrów pracy silników spalinowych w testach homologacyjnych i badaniach drogowych ... 92

7. Analiza wskaźników ekologicznych i zużycia paliwa autobusów miejskich w rzeczywistych warunkach ruchu ... 97

7.1. Uwagi ogólne ... 97

7.2. Emisja jednostkowa i drogowa zanieczyszczeń wyznaczona z pomiarów

przeprowadzonych w testach drogowych SORT ... 97

3 7.3. Emisja jednostkowa i drogowa zanieczyszczeń wyznaczona z pomiarów

przeprowadzonych na trasach badawczych ... 104

7.4. Emisja jednostkowa i drogowa zanieczyszczeń wyznaczona z pomiarów przeprowadzonych na linii miejskiej ... 111

7.5. Współczynniki emisji jednostkowej zanieczyszczeń wyznaczone na podstawie badań drogowych i dopuszczalnych wartości homologacyjnych .... 116

7.6. Zużycie paliwa obliczone na podstawie badań drogowych ... 118

8. Emisja jednostkowa zanieczyszczeń wyznaczona w aspekcie obecnie obowiązujących przepisów dotyczących zgodności w eksploatacji pojazdów ciężkich ... 122

9. Podsumowanie ... 125

Literatura ... 129

Abstract ... 136

4

Streszczenie

Autobusy miejskie mają istotny wpływ na jakość środowiska w aglomeracjach, gdzie występują duże skupiska ludzi. Wynika to z wielkości populacji rozpatrywanej grupy pojazdów oraz mocy stosowanych w nich układów napędowych. Parametry pracy silników spalinowych autobusów są bezpośrednio związane ze specyficznymi warunkami eksploatacji miejskiej. Rozwój aparatury pomiarowej i metod oceny emisji zanieczyszczeń w warunkach drogowych stwarza nowe możliwości poznawcze służące ocenie środków transportu różnych kategorii. Przedstawione fakty przyczyniły się do realizacji rozprawy doktorskiej, której głównym celem jest określenie wpływu zastosowanych układów napędowych i parametrów ruchu autobusów miejskich na emisję związków szkodliwych oraz wskazanie różnic między procedurami homologacyjnymi a rzeczywistą eksploatacją, w aspekcie charakterystyki pracy ich silników spalinowych.

We wstępie przedstawiono rozważania dotyczące wielkości populacji autobusów miejskich wraz z obecnymi i przyszłymi tendencjami rozwoju ich konstrukcji, a także przykłady rozwiązań producentów takich pojazdów. Następnie zdefiniowano cel i zakres rozprawy, jej tezy oraz sformułowano problemy badawcze. Dalej omówiono regulacje prawne dotyczące badań i homologacji autobusów miejskich, obejmujące głównie emisję jednostkową zanieczyszczeń w aspekcie norm Euro V i Euro VI.

Przytoczono również metody pomiaru emisji związków szkodliwych w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego odnoszące się do kontroli zgodności pojazdu ciężkiego podczas eksploatacji.

W rozdziale dotyczącym metodyki badań opisano obiekty wykorzystane w pracy, którymi były osiemnastometrowe autobusy miejskie wyposażone w trzy rodzaje układów napędowych: konwencjonalny, hybrydowy o konfiguracji szeregowej, a także pojazd zasilany sprężonym gazem ziemnym. Dalej przedstawiono wykorzystaną aparaturę pomiarową, program realizacji badań i warunki w jakich był on wykonywany.

Prace badawcze prowadzono w testach jezdnych SORT oraz w rzeczywistych warunkach eksploatacji obejmujących cztery specjalnie przygotowane trasy w aglomeracji poznańskiej i jej okolicach, a także pomiary na linii miejskiej.

Omówiono również metodę wyznaczania charakterystyk udziałów czasu pracy i natężenia emisji zanieczyszczeń z autorskimi założeniami, dotyczącymi rozpatrywanej grupy pojazdów.

Na podstawie uzyskanych wyników badań dokonano szczegółowej oceny

parametrów ruchu autobusów i pracy układów napędowych. Porównano dane

zarejestrowane w znormalizowanych cyklach jezdnych z wartościami dotyczącymi

rzeczywistych warunków drogowych. Następnie przeprowadzono rozważania

obejmujące dynamiczne testy homologacyjne, które odniesiono do pomiarów

wykonanych na linii miejskiej. W kolejnej części rozprawy przedstawiono analizę

wskaźników ekologicznych obejmującą zarówno jednostkową, jak i drogową emisję

zanieczyszczeń autobusów miejskich. Dodatkowo wyznaczono dla tych pojazdów

przebiegowe zużycie paliwa. Ze względu na obecnie obowiązujące przepisy Euro VI,

całość uzupełniono rozważaniami w aspekcie procedury zawartej w Rozporządzeniu

5 UE 582/2011, dotyczącej zgodności emisji jednostkowej zanieczyszczeń w eksploatacji, gdzie wykorzystano autorskie założenia opracowane na potrzeby rozprawy.

W podsumowaniu zawarto ogólną charakterystykę wyników pracy, wnioski szczegółowe, a także kierunki dalszych prac.

Przedstawiona dysertacja dostarcza nowej wiedzy w zakresie wpływu stosowanych układów napędowych i parametrów ruchu autobusów miejskich na ekologiczne wskaźniki pracy. Wykonane analizy wyników pomiarów pozwoliły wskazać rozwiązania najbardziej przyjazne środowisku w aspekcie emisji drogowej oraz jednostkowej zanieczyszczeń – w zakresie CO i THC autobus z szeregowym napędem hybrydowym, natomiast dla NO

i PM autobus zasilany sprężonym gazem ziemnym.

Rozważania obejmujące porównanie badań drogowych z testami jezdnymi SORT

wykorzystano do oceny przydatności stosowania tych testów. Ponieważ autobusy

miejskie eksploatowane są w specyficznych warunkach, odmiennych niż inne pojazdy

kategorii ciężkiej, do której klasyfikowane są badane obiekty, określono różnice

w udziałach czasu pracy silników spalinowych podczas testów homologacyjnych

i rzeczywistej eksploatacji. Wykorzystując współczynniki emisji zanieczyszczeń

sformułowano wnioski, gdzie uwzględniono zależności między pomiarami drogowymi

oraz wytycznymi legislacyjnymi. Pozwoliło to stwierdzić czy rzeczywista emisja

zanieczyszczeń jest większa niż wartości graniczne określone w normach. Na podstawie

obliczonych metodą bilansu węgla wartości przebiegowego zużycia paliwa, wykonano

uproszczony bilans ekonomiczny obejmujący koszty eksploatacji badanych pojazdów

i wskazano najkorzystniejsze rozwiązanie (napęd hybrydowy). Badania drogowe

wykonane w odniesieniu do najnowszych przepisów homologacyjnych pozwoliły

sprawdzić, czy wartości emisji jednostkowej zanieczyszczeń wyznaczone zgodnie z ich

metodyką, odpowiadają wynikom uzyskanym dla całego testu pomiarowego.

6

Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń

a – acceleration – przyspieszenie

CAN – Controller Area Network – szeregowa magistrala komunikacyjna CF – Conformity Factor – współczynnik zgodności emisji zanieczyszczeń CH

– metan

CNG – Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny CO – Carbon Monoxide – tlenek węgla

CO

– Carbon Dioxide – dwutlenek węgla

CVS – Constant Volume Sample – układ rozcieńczający gazy wylotowe o stałym natężeniu przepływu

DOC – Diesel Oxidation Catalyst – utleniający reaktor katalityczny DPF  Diesel Particulate Filter – filtr cząstek stałych silników ZS

EEC – European Economic Community – Europejska Wspólnota Gospodarcza EEV – Enhanced Environmentally Friendly Vehicle – pojazd bardziej przyjazny

środowisku

EFM-HS – Exhaust Flow Meter High Speed – aparatura do badania przepływu gazów wylotowych o dużej częstotliwości próbkowania

EGR – Exhaust Gas Recirculation – układ recyrkulacji gazów wylotowych ELR – European Load Response – europejski test obciążenia

EPA – Environment Protection Agency – Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska

ESC – European Stationary Cycle – europejski test statyczny dotyczący norm Euro III–V

ETC – European Transient Cycle – europejski test dynamiczny dotyczący norm Euro III–V

Euro – normy emisji spalin w Europie

e – emisja jednostkowa związku szkodliwego FC – Fuel Consumption – zużycie paliwa

FID – Flame Ionization Detector – analizator płomieniowo-jonizacyjny GPP – Green Public Procurement – Zielone Zamówienia Publiczne GPS – Global Positioning System – globalny system pozycjonowania HDV – Heavy-Duty Vehicle  pojazd ciężki

k – wskaźnik emisji jednostkowej związku szkodliwego LAN – Local Area Network  lokalna sieć komputerowa

m – masa

M

– moment obrotowy

MPI – Multi Point Injection  wielopunktowy wtrysk paliwa

MSS – Micro Soot Sensor – przyrząd do pomiaru cząstek stałych firmy AVL n – prędkość obrotowa wału korbowego

NDIR – Non-Dispersive Infrared – niedyspersyjny na promieniowanie podczerwone

NDUV – Non-Dispersive Ultraviolet – niedyspersyjny na promieniowanie

ultrafioletowe

7 N

– moc silnika spalinowego

NMHC – Non-Methane Hydrocarbons – węglowodory niemetanowe NO

– Nitrogen Oxides – tlenki azotu

OECD  Organization for Economic Co-operation and Development – Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju

ON  olej napędowy

PC  Passenger Car – samochód osobowy

PEMS  Portable Emission Measurement System – mobilne urządzenie do pomiarów mobilnych emisji spalin

PM – Particulate Matter – cząstki stałe

PN – Particle Number – liczba cząstek stałych

RDE  Real Driving Emissions – rzeczywista emisja zanieczyszczeń w warunkach drogowych

s  droga

SAE – Society of Automotive Engineers – Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych w Stanach Zjednoczonych

SCR  Selective Catalytic Reduction – selektywna redukcja katalityczna

SORT  Standarised On-Road Tests – znormalizowane testy jezdne dla autobusów t  time – czas

TD – Time Density – gęstość czasowa

THC – Total Hydrocarbons – suma węglowodorów niemetanowych i metanu TWC – Three Way Catalyst – trójfunkcyjny reaktor katalityczny

u

– współczynnik udziału

UITP  Union Internationale des Transports Publics – Międzynarodowe Stowarzyszenie Transportu Publicznego

UNECE – United Nations Economic Comission for Europe – Europejska Komisja Gospodarcza

V – velocity – prędkość pojazdu

VTG – Variable Turbocharger Geometry – turbosprężarka ze zmienną geometrią łopat kierownicy turbiny

WHO – World Health Organization – Światowa Organizacja Zdrowia

WHSC – World Harmonized Stationary Cycle – światowy test statyczny dotyczący normy Euro VI

WHTC – World Harmonized Transient Cycle – światowy test dynamiczny dotyczący normy Euro VI

W

– praca silnika spalinowego ZI – zapłon iskrowy

ZS – zapłon samoczynny

8

1. Wstęp

1.1. Wprowadzenie

Ochrona środowiska naturalnego jest obecnie jednym z najważniejszych problemów ludzkości. Światowa organizacja zdrowia WHO (World Health Organization) w swoich raportach [92] podaje, że w 2012 r. około 3,7 mln ludzi zmarło przedwcześnie z powodu zanieczyszczeń powietrza. W samej Unii Europejskiej skażenie otoczenia powoduje blisko pół miliona zgonów jej mieszkańców rocznie, a cząstki stałe PM (Particulate Matter) przyczyniają się do skrócenia życia średnio o 8,6 miesiąca [2, 92].

Oprócz tego w ogólnym bilansie ekonomicznym generowane są dodatkowe koszty związane z leczeniem, zwolnieniami z pracy, stratami w uprawach rolnych, uszkodzeniami, konserwacją maszyn itp. Wśród wielu przyczyn negatywnie wpływających na jakość powietrza istotną rolę odgrywa motoryzacja. Producenci pojazdów i silników spalinowych oferują coraz bardziej efektywne rozwiązania, jednak w dalszym ciągu konieczne jest prowadzenie prac, mających na celu zmniejszenie masy składników szkodliwych emitowanych do atmosfery.

Na całym świecie pojazdy ciężkie HDV (Heavy-Duty Vehicle) mają duży udział w emisji zanieczyszczeń, uwzględniając cały sektor transportu. Jest ich mniej niż samochodów osobowych PC (Passenger Car), jednak ze względu na masy oraz znaczne przebiegi związane z długimi trasami, istotnie wpływają na degradację środowiska naturalnego. Na podstawie badań realizowanych na całym świecie, szacuje się, że w latach 2020–2030 grupa pojazdów HDV osiągnie największy udział około 31%

zużycia paliwa i emisji CO

odnosząc się do wszystkich pojazdów wykorzystujących do napędu silniki spalinowe [37, 41, 76]. Na podstawie informacji przedstawionych przez Wards Auto Group Inc. można wyróżnić trzy główne regiony sprzedaży dla grupy HDV: Chiny, Stany Zjednoczone oraz Europę. Dla tych obszarów w 2013 r. liczba nowych pojazdów odebrana przez klientów wyniosła ponad 55,4 mln, co stanowi około 70% udziału w całkowitej produkcji na świecie [89].

Udział autobusów miejskich, pozamiejskich oraz turystycznych w odniesieniu do

wszystkich pojazdów HDV w Unii Europejskiej wynosi 11%, natomiast szacowana

wartość zużywanego przez nie paliwa stanowi 15% w odniesieniu do całej populacji

[76, 81]. Całkowita liczba zarejestrowanych pojazdów ciężkich (z uwzględnieniem

samochodów specjalnych) w grudniu 2014 r., na terenie Polski, wynosiła ponad 3,6 mln

egzemplarzy. Grupa autobusów stanowiła 106 057 sztuk, z czego blisko 85% (89 996

sztuk) wykorzystywanych było w przedsiębiorstwach komunikacji miejskiej (rys. 1.1)

[43, 66, 94]. W latach 2000–2006 liczba zarejestrowanych pojazdów utrzymywała się

na zbliżonym poziomie i wynosiła około 81 000 sztuk, natomiast w każdym kolejnym

roku zwiększała się ich populacja średnio o 2,3%. W 2014 r. obsługiwanych było

15 498 regularnych linii komunikacyjnych, o całkowitej długości 788 612 km, gdzie

przewieziono blisko 431,5 mln pasażerów. Należy zaznaczyć, że dominowały trasy

podmiejskie, które stanowiły 77,6% ogółu. Ze względu na strukturę wiekową

autobusów, udział pojazdów do 5 lat stanowił 8,1%, w przedziale 6–15 lat osiągnął

28%, w kolejnej grupie do 30 lat wyniósł 45,7% [43].

9 Rys. 1.1. Liczba autobusów zarejestrowanych w Polsce w latach 1990–2014 [43, 66, 94]

W większości obszarów na Ziemi wprowadzone zostały różnego rodzaju regulacje definiujące warunki dopuszczenia silnikowych środków transportu do użytkowania, metody homologacji, a także konieczność i przebieg realizacji okresowych badań ich stanu technicznego. Na terenie Unii Europejskiej w zakresie homologacji pojazdów ciężkich, pod względem spełnienia standardów emisyjnych, wprowadzano kolejne normy Euro: od I do VI, uzupełniane standardami EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle) dla Euro III–V. Przepisy przewidują wykonywanie badań na hamowni silnikowej wyłącznie samych jednostek spalinowych, w zdefiniowanych cyklach pomiarowych statycznych i dynamicznych. Wraz z wprowadzeniem Euro VI (homologacja od 31.12.2012, pierwsza rejestracja od 31.12.2013) zaczęły obowiązywać nowe testy: WHSC (World Harmonized Stationary Cycle) oraz WHTC (World Harmonized Transient Cycle), zastępując stosowane do tej pory ETC (European Transient Cycle), ESC (European Stationary Cycle) i ELR (European Load Response).

Na podstawie prowadzonych w ostatnich latach prac należy stwierdzić, że pomiary

jakościowe i ilościowe gazów wylotowych z silników spalinowych wykonywane

w warunkach laboratoryjnych, mogą znacznie różnić się od rzeczywistej emisji pojazdu

danej kategorii, w tym także HDV [5, 19, 52, 61, 62, 64, 65]. W związku z tym

prowadzone są nieustanne działania mające na celu opracowanie szczegółowych

i uniwersalnych metod oceny emisji zanieczyszczeń w warunkach drogowych RDE

(Real Driving Emissions). Postępujący w ostatnich latach rozwój i miniaturyzacja

aparatury pomiarowej należącej do grupy mobilnych analizatorów spalin PEMS

(Portable Emission Measurement System), pozwala wykonywać coraz dokładniejsze

badania ekologiczności pojazdów w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Obecnie na

całym świecie prowadzone są programy pilotażowe dotyczące tego typu zagadnień

[1, 8, 9, 40]. Od chwili obowiązywania normy Euro VI, konieczne jest wykonywanie

pomiarów drogowych przez producentów w zakresie kontroli zgodności pojazdów

ciężkich w eksploatacji, zasilanych różnymi rodzajami paliw [33, 34, 54]. Te wszystkie

czynniki skłoniły autora rozprawy do wykonania badań autobusów miejskich podczas

rzeczywistej eksploatacji, na podstawie których dokonano oceny wpływu rodzaju

układu napędowego i parametrów ruchu na ekologiczne wskaźniki pracy, czyli emisję

jednostkową i drogową związków szkodliwych spalin.

10 Niezmiennie od wielu lat, najczęściej stosowane paliwa pochodzą ze źródeł nieodnawialnych. Najpopularniejsza jest ropa naftowa, której według przewidywań najintensywniejsza eksploatacja wystąpi w krajach należących do OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) za około 15–20 lat. Średniorocznie zwiększa się jej wykorzystanie w tych państwach o blisko 2,5% [67]. Przewiduje się, że w pozostałych krajach największe wskaźniki zużycia ropy naftowej będą osiągnięte w 2030 r. Nieustannie zwiększa się liczba samochodów osobowych eksploatowanych na świecie, jednak ich układy napędowe są coraz ekologiczniejsze i ekonomiczniejsze.

Szacuje się że w 2040 r. ich udział w zapotrzebowaniu na paliwo będzie na zbliżonym poziomie do stanu obecnego (rys. 1.2) [37]. W odniesieniu do grupy HDV nastąpi znaczący przyrost liczby eksploatowanych pojazdów – przez najbliższe 25 lat o około 700 mln, co przełoży się na istotne zwiększenie udziału w zapotrzebowaniu na paliwo [37].

Rys. 1.2. Względne zapotrzebowanie na paliwa w transporcie do 2040 r. [37]

W przemyśle motoryzacyjnym trwają nieustanne prace mające na celu wprowadzanie i upowszechnianie rozwiązań sparzających oszczędności energii oraz ochronie środowiska. Należy tutaj wymienić przede wszystkim stosowanie paliw alternatywnych, napędów hybrydowych oraz elektrycznych, a także ogniw paliwowych [11, 42, 46, 53, 77]. Wymusza to wprowadzanie istotnych zmian w konstrukcji pojazdów i dostosowywanie infrastruktury np. przez budowanie stacji ładowania akumulatorów. Unia Europejska intensywnie wspiera rozwój nowych technologii oraz systemów w zakresie ekologicznego transportu drogowego, zachęcając jednocześnie do wykorzystywania odnawialnych źródeł energii. W związku z tym, opracowano w 2008 r. Inicjatywę dla Ekologicznych Samochodów GCI (Green Cars Initiative) [36].

Obejmuje ona pięć głównych obszarów: silniki spalinowe (poprawa sprawności szczególnie w rozwiązaniach przeznaczonych do HDV), biopaliwa, logistykę, elektryfikację układów napędowych, a także stosowanie ogniw paliwowych.

Lata

Udzia ł w za po trzebo wa niu na pa liwo [ %]

2040 75

50

25

0

Kolej

Transport morski

Lotnictwo

Pojazdy ciężkie

Samochody osobowe

2000 2020

11 Napędy hybrydowe stosowane w autobusach miejskich odznaczają się wieloma korzystnymi parametrami operacyjnymi w warunkach miejskiej eksploatacji. Dzięki ich zastosowaniu możliwe jest wyłączanie silnika spalinowego podczas postoju, ustalenie parametrów pracy jednostki spalinowej w obszarze największych sprawności, czy też w zaawansowanych rozwiązaniach wykorzystanie wyłącznie silników elektrycznych, gdzie obowiązują strefy bezemisyjne [79, 83]. W tego typu układach możliwe jest również użycie systemów hamowania z odzyskiem energii, w których energia kinetyczna pojazdu jest przekształcana w energię elektryczną. Innym, coraz częściej stosowanym rozwiązaniem, jest wykorzystanie paliw alternatywnych do zasilania pojazdów. W 2014 r. w Polsce użytkowanych było 331 autobusów tego typu [43].

Najczęściej stosowany jest gaz ziemny CNG (Compressed Natural Gas), który jest nietoksyczny, przechowywany w formie sprężonej jako technicznie prostszy, a głównym jego składnikiem jest metan (83–90% objętości). Wytyczne Unii Europejskiej wskazują, że paliwo to do 2020 r. ma osiągnąć 10-procentowy udział na rynku spośród wszystkich paliw alternatywnych [12]. Oprócz tego uwzględnia się biopaliwa płynne i wodór, gdzie przewidywane udziały mają stanowić 8% i 5%.

Obecnie w autobusach miejskich najczęściej stosowane są konwencjonalne układy napędowe, gdzie silnik spalinowy o ZS (zapłon samoczynny) jest połączony ze skrzynią biegów i elementami przeniesienia napędu. Układy takie będą najprawdopodobniej występowały jeszcze przez kilka najbliższych lat, m.in. ze względu na ukształtowanie infrastruktury, stosunkowo małe koszty zakupu i łatwą obsługę/naprawę pojazdu odnosząc się do rozwiązań alternatywnych oraz ceny paliw. W związku z tym w nowoczesnych silnikach spalinowych jest stosowanych wiele zabiegów konstrukcyjnych i rozwiązań innowacyjnych, które pozwalają zwiększyć ich sprawność oraz poprawić emisyjne wskaźniki ekologiczne [48, 49, 74]. Zgodnie z obecnymi tendencjami opracowywane są rodziny jednostek o zbliżonej konstrukcji, różniące się między sobą m.in. układem doładowania lub parametrami sterowania. Dzięki temu producenci pojazdów i maszyn mają możliwości wyboru silnika o konkretnych parametrach, spełniających zapotrzebowanie na pracę mechaniczną ich produktów.

1.2. Nowoczesne konstrukcje autobusów miejskich

Jedne z głównych strategii działań, dotyczących transportu w miastach i regionach Unii Europejskiej, ukierunkowane są na zwiększenie udziału transportu publicznego.

W związku z tym konieczne jest wprowadzanie rozwiązań w autobusach miejskich

oddziałujących w jak najmniejszym stopniu na otoczenie, w zakresie nie tylko emisji

zanieczyszczeń, ale również zmniejszania hałasu. Najczęściej stosowanymi środkami

służącymi zmniejszaniu zawartości toksycznych składników w gazach wylotowych są

pozasilnikowe układy oczyszczania spalin, takie jak: układy selektywnej redukcji

katalitycznej SCR (Selective Catalytic Reduction), filtry cząstek stałych DPF (Diesel

Particulate Filter), reaktory katalityczne typu DOC (Diesel Oxidation Catalyst) i TWC

(Three Way Catalyst), a także w samej jednostce spalinowej wykorzystanie systemu

recyrkulacji spalin EGR (Exhaust Gas Recirculation) [39, 52, 60]. W celu przybliżenia

aktualnych tendencji rozwojowych konstrukcji autobusów miejskich, przedstawiono

12 najciekawsze rozwiązania pojazdów o długości osiemnastu metrów, wyposażonych w różne typy układów napędowych, spełniające normy emisji spalin Euro V i VI.

Solbus Solcity SM 18

W rodzinie autobusów firmy Solbus o oznaczeniu SM, dostępnej na rynku od 2009 r., występują pojazdy niskopodłogowe o długości dwunastu i osiemnastu metrów, wyposażane w silniki zasilane olejem napędowym i gazem ziemnym. W wersji SM 18 z konwencjonalnym układem zasilania zastosowano samonośne dwuczłonowe nadwozie z podłogą o konstrukcji kratownicowej (tab. 1.1, rys. 1.3). W celu uzyskania jak najmniejszej masy, w konstrukcji szkieletu m.in. zastąpiono profile zamknięte belkami o przekroju ceowym w mniej obciążonych węzłach, a także wycięto otwory w miejscach, gdzie nie występują duże obciążenia. Standardowa wersja autobusu jest napędzana sześciocylindrowym silnikiem Cummins ISB8.9E5 340B o objętości skokowej 8,9 dm

, chrakteryzujący się mocą znamionową 250 kW i masą 737 kg.

Współpracuje on z automatyczną skrzynią biegów o sześciu przełożeniach: Voith D864.5 lub ZF-Ecomat 6HP 604. Niezależne przednie zawieszenie łączy się z osią ZF RL75EC, oś centralna jest typu portalowego ZF AVN 132/80, natomiast napęd jest przenoszony przez układ odpowiedni dla zastosowanej przekładni – Voith BRA132DC80 albo ZF AV 132/80. Producent deklaruje przebiegowe zużycia paliwa wynoszące 51 dm

/100 km podczas eksploatacji w warunkach miejskich. Autobus może przewieźć jednocześnie 179 pasażerów zależnie od opcji wyposażenia [49].

Tab. 1.1. Dane techniczne autobusu Solbus Solcity SM 18 [49]

Oznaczenie silnika Cummins ISB8.9E5 340B

Typ/paliwo 4-suwowy, ZS/ON

Objętość skokowa [dm

] 8,9

Liczba/układ cylindrów 6/rzędowy

Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 250/2100

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]/[obr/min] 1500/1200–1400

Norma emisji spalin Euro V–EEV

Skrzynia przekładniowa Automatyczna: Voith D864.5 lub ZF-Ecomat 6HP 604

Rys. 1.3. Autobus Solbus Solcity SM 18 [49]

13 Solaris Urbino 18 (IV generacja)

Marka Solaris, będąca polskim producentem autobusów, posiada w swojej ofercie rodzinę pojazdów miejskich oznaczonych symbolem Urbino od 10 do 18,75 (symbol liczbowy określa przybliżoną długość nadwozia) z jednostkami napędowymi zasilanymi zarówno olejem napędowym, jak i sprężonym gazem ziemnym. Najnowsza IV generacja Urbino 18 dostępna jest na rynku od 2015 r. i w podstawowej wersji posiada sześciocylindrowy silnik ZS firmy DAF o mocy maksymalnej 240 kW (tab. 1.2, rys.

1.4). Jego objętość skokowa wynosi 10,8 dm

, w układzie dolotowym zastosowano sprężarkę ze zmienną geometrią łopat VTG (Variable Turbo Geometry), a główne elementy pozasilnikowego systemu oczyszczania spalin stanowią systemy redukcji katalitycznej SCR oraz filtry DPF. Wytworzona praca mechaniczna jest przenoszona na koła z wykorzystaniem przekładni automatycznej Voith D864.6 lub w opcji ZF 6AP Ecolife. Dopracowana konstrukcja autobusu, w odniesieniu do poprzednich wersji, charakteryzuje się zmniejszoną wysokością o 50 mm (bez wpływu na wymiary przestrzeni pasażerskiej), bardziej równomiernym rozkładem mas (m.in. przeniesienie zbiorników paliwa nad drugą oś) i obniżeniem środka ciężkości. Te modyfikacje mają bezpośredni wpływ na poprawę stabilności i bezpieczeństwa podczas jazdy autobusu.

W czasie wymiany pasażerów możliwe jest obniżenie podłogi o 70 mm. Ponadto zmniejszono masę własną pojazdu oraz natężenie wibracji i hałasu. Emisja hałasu wynosi 74,8 dB (europejska norma określa poziom 80 dB, natomiast niemiecka 77 dB).

W zależności od opcji wyposażenia, autobus może przewieźć jednorazowo do 183 pasażerów (maksymalna liczba miejsc siedzących wynosi 47) [49].

Tab. 1.2. Dane techniczne autobusu Solaris Urbino 18 (IV generacja) [49]

Oznaczenie silnika DAF/Paccar MX-11

Typ/paliwo 4-suwowy, ZS/ON

Objętość skokowa [dm

] 10,8

Liczba/układ cylindrów 6/rzędowy

Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 240/1650

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]/[obr/min] 1400/1000–1650

Norma emisji spalin Euro VI

Skrzynia przekładniowa Automatyczna: Voith D864.6 lub ZF 6AP Ecolife

Rys. 1.4. Autobus Solaris Urbino 18 (IV generacja) [49]

14 Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid

W autobusie Citaro G BlueTec Hybrid zastosowano hybrydowy układ napędowy o konfiguracji szeregowej (tab. 1.3, rys. 1.5). Silnik spalinowy ZS firmy Mercedes OM 924 LA o mocy maksymalnej 160 kW wykorzystywany jest jako generator energii elektrycznej. Posiada cztery cylindry w układzie rzędowym, których łączna objętość skokowa wynosi 4,8 dm

. To rozwiązanie charakteryzuje się znacznie mniejszą masą (o ponad 500 kg), w odniesieniu do standardowej jednostki spalinowej (o objętości skokowej 12 dm

) stosowanej w pojazdach konwencjonalnych o zbliżonych parametrach użytkowych. Silniki elektryczne umieszczono w piastach kół drugiej, a także trzeciej osi pojazdu. Moc znamionowa każdego z nich wynosi 80 kW. Pakiet akumulatorów wykonanych w technologii litowo-jonowej jest w stanie magazynować energię o wartości 19,4 kW·h, gdzie całkowita ich masa wynosi 350 kg. Znaczna część układów użytkowych wykorzystuje do napędu energię elektryczną, m.in. sprężarki powietrza i klimatyzacji, system wspomagania przekładni kierowniczej itp. W wersji podstawowej autobus wyposażony jest w 46 miejsc siedzących (nie uwzględniając kierowcy) i może przewozić maksymalnie do 125 pasażerów. Producent twierdzi, że zastosowany układ hybrydowy pozwala zmniejszyć nawet o 30% zużycie paliwa w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych [49].

Tab. 1.3. Dane techniczne autobusu Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid [49]

Oznaczenie silnika Mercedes OM 924 LA

Typ/paliwo 4-suwowy, ZS/ON

Objętość skokowa [dm

] 4,8

Liczba/układ cylindrów 4/rzędowy

Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 160/2200

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]/[obr/min] 810/1200–1600

Norma emisji spalin Euro V–EEV

Rodzaj układu hybrydowego

Szeregowy, cztery silniki elektryczne o mocy 80 kW każdy, umieszczone

w piastach kół drugiej i trzeciej osi

Rys. 1.5. Autobus Mercedes-Benz Citaro G BlueTec Hybrid [98]

15 Volvo 7900 Hybrid Articulated

Seria autobusów oznaczona symbolem 7900 stanowi najnowszą rodzinę pojazdów komunikacji miejskiej firmy Volvo, spełniającą standardy Euro VI. W konstrukcji układu napędowego modelu 7900 Hybrid Articulated zastosowano układ hybrydowy o konfiguracji równoleglej (tab. 1.4, rys. 1.6). Wykorzystany silnik spalinowy typu ZS charakteryzuje się mocą maksymalną 177 kW i masą wynoszącą 560 kg. Jest on połączony z jednym silnikiem elektrycznym (moc znamionowa 150 kW), który współpracuje ze skrzynią biegów. Wykorzystane w konstrukcji akumulatory litowo- jonowe utrzymują napięcie 600 V i mogą przechować 2,4 kW·h energii. Zastosowana skrzynia Volvo I-Shift zmienia przełożenia podczas pracy pojazdu w taki sposób, aby uzyskać jak najefektywniejszy przebieg ładowania akumulatorów, również w czasie hamowania regeneracyjnego. Ponadto podczas dojazdu, postoju oraz ruszania z przystanków używane są jedynie silniki elektryczne, co zmniejsza uciążliwość dla pasażerów przez ograniczenie emisji zanieczyszczeń i hałasu. W autobusie może podróżować do 154 pasażerów (zależnie od opcji wyposażenia), co stanowi jeden z najlepszych wyników w klasie osiemnastometrowych pojazdów hybrydowych.

Producent zapewnia, że w odniesieniu do konwencjonalnego autobusu spełniającego normę Euro V, zastosowany napęd alternatywny umożliwia zmniejszenie przebiegowego zużycia paliwa o około 40% oraz emisję NO

i PM o około 50% [49].

Tab. 1.4. Dane techniczne autobusu Volvo 7900 Hybrid Articulated [49]

Oznaczenie silnika Volvo D5K 240

Typ/paliwo 4-suwowy, ZS/ON

Objętość skokowa [dm

] 5,1

Liczba/układ cylindrów 4/rzędowy

Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 177/2200

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]/[obr/min] 918/1200–1600

Norma emisji spalin Euro VI

Rodzaj układu hybrydowego

Równoległy, jeden silnik elektryczny o mocy 150 kW umieszczony między silnikiem spalinowym i skrzynią biegów

Rys. 1.6. Autobus Volvo 7900 Hybrid Articulated [98]

16 Irisbus Citelis 18M CNG

Hiszpański producent autobusów Irisbus przedstawił w swojej ofercie osiemnastometrowy pojazd zasilany CNG należący do rodziny Citelis (tab. 1.5, rys. 1.7). Zastosowany silnik spalinowy typu ZI (zapłon iskrowy) o objętości skokowej 7,8 dm

osiąga moc maksymalną 228 kW. Ponieważ jednostka pracuje na mieszance stechiometrycznej, w układzie wylotowym wykorzystano trójfunkcyjny reaktor katalityczny TWC. Układ zasilana stanowi wielopunktowy system wtrysku sterowany elektronicznie MPI (Multi Point Injection). W zależności od wyposażenia występują dwa rodzaje przekładni automatycznych: Voith D854.5 lub ZF 4HP502/5HP502. Na dachu autobusu zamontowano 10 wysokociśnieniowych butli o objętości 155 dm

i masie 126 kg każda. Można w nich zmagazynować paliwo wystarczające do przejechania dystansu w przedziale 450–700 km w zależności od warunków eksploatacji. Według producenta dzięki zastosowaniu silnika zasilanego CNG (w tym także biometanem), hałas związany z jego pracą jest mniejszy o 5 dB w odniesieniu do standardowej jednostki ZS, charakteryzującej się podobnymi parametrami znamionowymi. Ponadto biorąc pod uwagę wskaźniki ekologiczne, zastosowanie paliwa gazowego pozwala ograniczyć emisję NO

o 86%, natomiast PM o 97%.

W zależności od wyposażenia i układu miejsc siedzących, w pojeździe może być przewożone do 151 pasażerów [49].

Tab. 1.5. Dane techniczne autobusu Irisbus Citelis 18M CNG [49]

Oznaczenie silnika Iveco Cursor 8 F2BE0642C CNG

Typ/paliwo 4-suwowy, ZI/CNG

Objętość skokowa [dm

] 7,8

Liczba/układ cylindrów 6/rzędowy

Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 228/2000

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]/[obr/min] 1100/1100–1900

Norma emisji spalin Euro V–EEV

Skrzynia przekładniowa Automatyczna:

Voith D854.5 lub ZF 4HP502/5HP502

Rys. 1.7. Autobus Irisbus Citelis 18M CNG [95]

17 MAN Lion's City G LE 18 CNG

Producent serii autobusów miejskich Lion's City oferuje gamę rozwiązań z silnikami ZI zasilanymi CNG, o długościach od 12 do 18,75 m. Osiemnastometrowy pojazd oznaczony symbolem G LE 18 CNG wyposażono w jednostkę spalinową MAN E2876 o objętości skokowej 12,8 dm

i mocy znamionowej 228 kW (tab. 1.6, rys. 1.8). Ze względu na uzyskiwanie mieszanek bliskich wartościom stechiometrycznym w procesie spalania, w jego układzie wylotowym zastosowano trójfunkcyjny reaktor katalityczny TWC. Konstruktorzy firmy MAN deklarują, że pomimo zastosowania silnika pracującego w obiegu Otto wykorzystującego paliwo alternatywne, interwały przeglądów oraz liczba czynności serwisowych nie uległy zmianie w odniesieniu do konwencjonalnych rozwiązań z jednostkami ZS. Napęd na koła jest przenoszony przez automatyczną skrzynię biegów: Voith D864.5 lub ZF 6 AP EcoLife. Sprężony gaz ziemny przechowywany jest pod ciśnieniem około 20 MPa w 9 butlach wykonanych z materiałów kompozytowych o objętości 214 dm

każda, umieszczonych na dachu autobusu. Zależnie od warunków eksploatacji, umożliwia to przejechanie do 500 km.

W konstrukcji pojazdu zastosowano rozwiązania sprzyjające zmniejszaniu energochłonności, m.in. zastąpiono mechaniczny napęd sprężarki klimatyzacji silnikiem elektrycznym. Przedstawiony pojazd charakteryzuje się małą wysokością – 3300 mm, w odniesieniu do innych autobusów zasilanych CNG. Zależnie od wyposażenia, autobus może przewozić maksymalnie 151 pasażerów [49].

Tab. 1.6. Dane techniczne autobusu MAN Lion's City G LE 18 CNG [49]

Oznaczenie silnika MAN E2876 LUH07

Typ/paliwo 4-suwowy, ZI/CNG

Objętość skokowa [dm

] 12,8

Liczba/układ cylindrów 6/rzędowy

Maksymalna moc

[kW]/[obr/min] 228/2000

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]/[obr/min] 1250/1000–1700

Norma emisji spalin Euro VI

Skrzynia przekładniowa Automatyczna:

Voith D864.5 lub ZF 6 AP EcoLife

Rys. 1.8. Autobus MAN Lion's City G LE 18 CNG [49]

18 Warunki eksploatacji autobusów miejskich uzależnione są m.in. od charakteru realizowanej trasy komunikacyjnej, obciążenia linii, liczby przystanków, infrastruktury drogowej, chwilowych warunków ruchu itp. Obecnie w rozpatrywanej grupie pojazdów są wykorzystywane układy napędowe charakteryzujące się różnego rodzaju konfiguracjami, co ma bardzo duże znaczenie w aspekcie warunków ruchu miejskiego.

Związane jest to przede wszystkim z zagadnieniami obejmującymi zużycie paliwa, emisję gazów wylotowych i hałasu. Dominującą większość układów napędowych stanowią rozwiązania konwencjonalne z silnikami typu ZS. Jednak nieustannie zwiększa się liczba autobusów wykorzystujących do zasilania sprężony gaz ziemny oraz konstrukcje hybrydowe, które umożliwiają uzyskanie znacznych sprawności w eksploatacji miejskiej.

Przedstawiony ogólny przegląd rozwiązań autobusów sugeruje, jak daleko prowadzone są działania przez producentów mające na celu ochronę środowiska.

Uwzględniając fakt wykorzystania nowoczesnych silników spalinowych, emisja

zanieczyszczeń powinna być bardzo mała. Z uwagi jednak na specyficzne warunki

użytkowania tych jednostek spalinowych, wymuszone eksploatacją w ruchu miejskim,

emisja danego obiektu może być znacząco inna niż w warunkach testów

homologacyjnych, szczególnie dynamicznego. Temat ten stanowi główny nurt

niniejszej pracy i jest niezmiernie ważny z punktu widzenia dokładności

odzwierciedlenia warunków ruchu autobusów miejskich. Należy zaznaczyć, że wpisuje

się on w trend aktualnych badań czołowych ośrodków badawczo rozwojowych na

świecie [5, 62, 82, 88].

19

2. Cel i zakres pracy

Emisja zanieczyszczeń z pojazdów ma istotny wpływ na środowisko naturalne oraz zdrowie ludzi. Problem ten jest szczególnie ważny w aglomeracjach miejskich, gdzie znaczna ich liczba oddziałuje bezpośrednio na duże skupiska mieszkańców. Jednym z wielu przykładów w tym zakresie, jest odnoszący się do badań wielu ośrodków naukowych raport WHO z 2012 r. [78]. Informuje on, że gazy wylotowe z silników typu ZS są poważną przyczyną chorób nowotworowych. Ze względu na rozwój wiedzy w zakresie ekologii, a także wieloletnie prace obejmujące ocenę wpływu zanieczyszczeń na organizmy żywe, coraz częściej w centrach miast wprowadzane są ograniczenia ruchu dla samochodów z silnikami spalinowymi. Dotyczą one standardów, jakie muszą one spełniać w zakresie norm toksyczności lub też wprowadzają całkowity zakaz poruszania się tych pojazdów. Również w Polsce planowane jest wprowadzenie tego typu obostrzeń w najbliższych latach. Czynniki te powodują, że bardzo istotna staje się komunikacja publiczna. Władze miast zachęcają do korzystania z niej, a ponadto stanowi ona często najekonomiczniejsze rozwiązanie.

Autobusy miejskie są kwalifikowane do grupy pojazdów ciężkich, jednak specyfika ich konstrukcji oraz warunki eksploatacji są inne niż w pozostałych rozwiązaniach tej kategorii. Ze względu na wielkość ich populacji, potrzebne staje poznanie wpływu stosowanych w nich układów napędowych na środowisko naturalne. W ostatnich latach podjęto problem oceny ekologiczności pojazdów w warunkach drogowych oraz ściśle związaną z tym analizę warunków pracy ich silników spalinowych/układów napędowych. Autor rozprawy uczestniczył w wielu pracach obejmujących tą tematykę, czego efektem są publikacje dotyczące omawianego zagadnienia [38, 50, 51, 59, 73].

Należy jednak zwrócić uwagę, że tego typu pomiary są w początkowym stadium wdrażania i ewoluują ze względu na uzupełnianie zapisów w procedurach badawczych i rozwój aparatury. Zasadniczą problematykę niniejszej rozprawy stanowi emisja zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach eksploatacji wraz z poznaniem parametrów pracy układów napędowych. Uzupełnienie stanowią rozważania dotyczące procedur homologacyjnych pojazdów ciężkich. Na tej podstawie sformułowano cel pracy:

Celem rozprawy jest określenie wpływu zastosowanych układów napędowych i parametrów ruchu autobusów miejskich na emisję związków szkodliwych oraz wskazanie różnic między procedurami homologacyjnymi a rzeczywistą eksploatacją, w aspekcie charakterystyki

pracy silników spalinowych rozważanej grupy pojazdów.

Główne problemy badawcze obejmują zagadnienia dotyczące:

 wpływu rzeczywistej eksploatacji autobusów miejskich wyposażonych w różne układy napędowe na parametry pracy ich silników spalinowych,

 zależności między warunkami eksploatacji tej grupy pojazdów, a emisją związków szkodliwych,

 różnic parametrów pracy silników spalinowych w dynamicznych testach

homologacyjnych pojazdów ciężkich (dla Euro V i VI) i warunkach rzeczywistej

eksploatacji autobusów miejskich.

20 Na podstawie celu pracy i zdefiniowanych głównych problemów badawczych, a także doświadczeniu własnym autora, sformułowano następujące tezy pracy:

Teza I: Na podstawie badań emisji gazów wylotowych autobusów miejskich w rzeczywistych warunkach eksploatacji, możliwe jest wskazanie najkorzystniejszego rozwiązania układu napędowego w aspekcie oddziaływania na środowisko przy wykorzystaniu ekologicznych wskaźników pracy.

Teza II: Dynamiczne hamowniane testy homologacyjne obowiązujące dla grupy pojazdów ciężkich w normach Euro V i Euro VI, mogą być mało przydatne przy prawidłowej ocenie emisji zanieczyszczeń, ze względu na specyficzny charakter eksploatacji autobusów miejskich.

Uwzględniając tendencje rozwoju pojazdów komunikacji publicznej, do badań wybrano pojazdy o tej samej długości osiemnastu metrów, przeznaczone do eksploatacji na trasach charakteryzujących się znacznym obciążeniem, wyposażone w różne typy układów napędowych. Rozważania przedstawione w pracy dotyczą napędów:

konwencjonalnego, hybrydowego o konfiguracji szeregowej (obydwa wyposażone w silniki ZS), a także pojazdu zasilanego sprężonym gazem ziemnym CNG z silnikiem spalinowym ZI. Do badań wykorzystano nowoczesną mobilną aparaturę z grupy PEMS, służącą do pomiaru stężenia szkodliwych składników gazów wylotowych, w tym również cząstek stałych. Jej zastosowanie umożliwiło wykonanie prac w różnych warunkach eksploatacji, a także akwizycję niezbędnych danych z pokładowych systemów diagnostycznych. Zakres działań obejmował realizację pomiarów w trzech znormalizowanych testach SORT (Standarised On-Road Tests), na czterech specjalnie opracowanych trasach badawczych, a także na linii obsługiwanej przez przewoźnika miejskiego według określonego programu badań.

Podczas analizy wyników badań wykonano porównania obejmujące emisję drogową i jednostkową związków szkodliwych oraz parametry pracy silników spalinowych w określonych warunkach eksploatacji rozpatrywanej grupy pojazdów. Obejmują one m.in. charakterystyki udziałów czasu pracy i natężenia emisji zanieczyszczeń z wykorzystaniem autorskich założeń, specjalnie opracowanych dla autobusów miejskich. Określono całkowite wartości energii potrzebne do pokonania poszczególnych tras przez obiekty badawcze. Obliczono i porównano drogową i jednostkową emisję szkodliwych składników gazów wylotowych. Przedstawiono parametry pracy silników spalinowych występujących w europejskich procedurach homologacyjnych i odniesiono je do pomiarów przeprowadzonych w warunkach drogowych. Rozważania uzupełniono o wyniki przebiegowego zużycia paliwa wyznaczonego metodą bilansu węgla oraz współczynniki emisji zanieczyszczeń zdefiniowane w ujęciu norm EuroV–EEV. Ze względu na wprowadzenie badań kontrolnych z wykorzystaniem mobilnej aparatury PEMS dokonano oceny wartości emisji jednostkowej zanieczyszczeń wyznaczonych w aspekcie Regulacji UE 582/2011.

Strukturę pracy przedstawiono na rysunku 2.1.

21 Wprowadzenie

Wnioski i podsumowanie Obiekty badań

 Autobus konwencjonalny

 Autobus hybrydowy

 Autobus zasilany CNG

Badania emisji spalin w rzeczywistych warunkach eksploatacji Cel i zakres pracy

Regulacje prawne dotyczące badań i homologacji autobusów miejskich

Analiza pracy układów napędowych i parametrów ruchu autobusów

Parametry pracy silników spalinowych w testach homologacyjnych

Analiza wskaźników ekologicznych i zużycia paliwa autobusów miejskich

Emisja jednostkowa zanieczyszczeń wyznaczona w aspekcie Regulacji UE 582/2011

w rzeczywistych warunkach eksploatacji

Metodyka badań własnych:

o Aparatura typu PEMS o Trasy badawcze

o Metoda wyznaczania charakterystyk udziałów czasu pracy i natężeń emisji zanieczyszczeń

Rys. 2.1. Struktura pracy

22

3. Regulacje prawne dotyczące badań i homologacji autobusów miejskich

3.1. Wybrane przepisy obowiązujące w Unii Europejskiej

Polityka Unii Europejskiej dotycząca transportu jest ukierunkowana przede wszystkim na zapewnienie bezpieczeństwa i komfortu wszystkim użytkownikom dróg oraz zmniejszenia negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne.

Ponadto koncentruje się na ograniczeniu uzależnienia od ropy naftowej, a także zwiększaniu konkurencyjności w odniesieniu do przedsiębiorstw z innych regionów świata [100]. W związku z tym, wprowadzane są rozporządzenia i dyrektywy, służące realizacji tych celów. Do najważniejszych dokumentów obowiązujących we Wspólnocie, które dotyczą autobusów miejskich, należą:

 Dyrektywa 70/156/EWG z dnia 6 lutego 1970 r. (wraz z jej późniejszymi zmianami) – dotyczy homologacji pojazdów z silnikami spalinowymi, a także ich przyczep [31],

 Dyrektywa 2001/85/WE z dnia 20 listopada 2001 r. – zawiera informacje odnoszące się do przepisów obowiązujących dla pojazdów użytkowanych w celu przewozu pasażerów, wyposażonych w więcej niż osiem miejsc siedzących (oprócz miejsca przeznaczonego dla kierowcy), zmieniająca Dyrektywy 70/156/EWG oraz 97/27/WE [20],

 Dyrektywa 2002/7/WE z dnia 18 lutego 2002 r. – zmienia ona Dyrektywę 96/53/WE, która dotyczy maksymalnych wymiarów pojazdów dopuszczonych w ruchu krajowym i międzynarodowym oraz maksymalne obciążenia w ruchu międzynarodowym [21],

 Dyrektywa 2005/55/WE z dnia 28 września 2005 r. – opisuje działania, które należy podjąć, aby zmniejszyć negatywny wpływ silników o zapłonie samoczynnym (zanieczyszczenia gazowe i cząstki stałe) oraz silników o zapłonie iskrowym zasilanych gazem ziemnym lub gazem płynnym (zanieczyszczenia gazowe) stosowanych w pojazdach (ponownie zdefiniowane limity emisji dla Euro IV i Euro V) [24],

 Dyrektywa 2005/78/WE z dnia 14 listopada 2005 r. – odnosi się do wykonania Dyrektywy 2005/55/WE [27],

 Dyrektywa 2006/51/WE z dnia 6 czerwca 2006 r. – uzupełnia Dyrektywy 2005/55/WE oraz 2005/78/WE w zakresie postępu technicznego (wymagania dotyczące układu monitorowania kontroli emisji spalin) [28],

 Dyrektywa 2007/46/WE z dnia 5 września 2007 r. – ustanawia przepisy dotyczące homologacji pojazdów silnikowych i ich przyczep oraz układów, części, a także oddzielnych zespołów przeznaczonych do tych pojazdów [25],

 Rozporządzenie Komisji UE 582/2011 z dnia 25 maja 2011 r. – zmieniające

Rozporządzenie 595/2009 w zakresie emisji zanieczyszczeń pochodzących

z pojazdów ciężarowych o dużej ładowności (Euro VI) oraz zmieniające

załączniki I i III do Dyrektywy 2007/46/WE [70].

23 Najnowsze przepisy dotyczące pojazdów ciężkich obejmują swoim zakresem zagadnienia związane z homologacją typu pojazdu, kontrolą emisji zanieczyszczeń oraz homologacją układów ją ograniczających (przeznaczonych na części zamienne).

Najnowsze przepisy uwzględniają także kontrolę w zakresie zgodności produkcji (conformity of production) oraz zgodności w eksploatacji (in-service compliance lub in-service conformity) [58, 70].

Zgodnie z obowiązującym podziałem zdefiniowanym przez UNECE (United Nations Economic Comission for Europe) autobusy klasyfikowane są do kategorii M, w której ujęte są pojazdy o napędzie silnikowym mające co najmniej cztery koła i są używane do przewozu pasażerów [86]. W kategorii tej wyróżnia się trzy podgrupy:

 M

– pojazdy służące do przewozu pasażerów i nie mające więcej niż osiem siedzeń, oprócz miejsca kierowcy,

 M

– pojazdy przeznaczone do przewozu osób, mające więcej niż osiem siedzeń poza miejsca kierowcy, których masa maksymalna nie przekracza 5000 kg,

 M

– pojazdy przeznaczone do przewozu osób, mające więcej niż osiem siedzeń poza miejscem kierowcy, których masa maksymalna przekracza 5000 kg.

Wśród głównych celów Dyrektywy 2001/85/WE należy wymienić zapewnienie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa pasażerów podczas podróży oraz umożliwienie dostępu do wnętrza pojazdu osobom o ograniczonej możliwości poruszania się przez zastosowanie specjalnych rozwiązań technicznych. W związku z tym, w dokumencie przedstawiono wytyczne, dotyczące m.in. minimalnej liczby drzwi i ich rozmiarów, oświetlenia, wyjść ewakuacyjnych, szerokości przejść, konstrukcji siedzeń, prześwitów itp. [20]. W Dyrwktywie zawarte są informacje na temat pojazdów o konstrukcji tradycyjnej, niskopodłogowych, dwupokładowych oraz przegubowych. Ponadto odwołuje się ona do Dyrektywy 70/156/WE i wprowadza następujący podział pojazdów [31]:

 autobusy o liczbie pasażerów mniejszej niż 22:

o Klasa A – pojazdy z miejscami siedzącymi i stojącymi, konstrukcja ma umożliwiać szybkie przemieszczanie się pasażerów,

o Klasa B – pojazdy wyłącznie z miejscami siedzącymi,

 autobusy o liczbie pasażerów równej lub większej niż 22 pasażerów:

o Klasa I – pojazdy z miejscami siedzącymi i stojącymi, konstrukcja ma umożliwiać szybkie przemieszczanie się pasażerów,

o Klasa II – pojazdy z miejscami siedzącymi i stojącymi w mniejszej ilości (dotyczy głównie autobusów podmiejskich),

o Klasa III – pojazdy wyłącznie z miejscami siedzącymi.

W Dyrektywie 2005/78/WE zawarto informacje dotyczące głównie kontroli emisji zanieczyszczeń (składników gazowych i cząstek stałych), czasu eksploatacji pojazdu oraz urządzeń kontrolnych, układów diagnostyki pokładowej (w odniesieniu do dwóch stopni monitorowania), wykorzystania ogranicznika momentu obrotowego (czasowego), a także minimalnego czasu przeglądów [27]. Dyrektywa 2002/7/WE stanowi uzupełnienie Dyrektywy 96/53/WE i ustala graniczne wymiary autobusów [21]:

 autobus przegubowy – długość maksymalna 18,75 m,

24

 autobus dwuosiowy – długość maksymalna 13,5 m,

 autobus o więcej niż dwu osiach – długość maksymalna 15 m,

 autobus + przyczepa – długość maksymalna 18,75 m,

 każdy rodzaj autobusu – szerokość maksymalna 2,55 m.

Dodatkowo w przywołanym dokumencie zawarto informacje dotyczące maksymalnych zajmowanych obszarów przez pojazdy podczas wykonywania manewrów. Dla autobusów o innych wymiarach konieczne jest uzyskania pozwolenia od właściwego w tym zakresie organu.

Działania Parlamentu Europejskiego ukierunkowane są na ochronę środowiska, zwiększenie efektywności energetycznej i oszczędności energii. W komunikacie z dnia 10 stycznia 2007 r. zatytułowanym „Europejska polityka energetyczna”

zaproponowano, że na terenie Unii Europejskiej emisja gazów cieplarnianych będzie zmniejszona o co najmniej 20% w stosunku do poziomu z 1990 r. [45]. Przedstawiono także inne cele związane poprawą efektywności energetycznej dotyczącej wprowadzenia energii odnawialnej (20% udziału w łącznym zużyciu energii i 10%

udziału w transporcie). W związku z tym, wprowadzono m.in. Dyrektywę 2009/33/WE [29], która dotyczy promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów transportu drogowego uwzględniając miejski transport pasażerski. Dyrektywy Unii Europejskiej dotyczą również zagadnień związanych z eksploatacją autobusów miejskich. Można tutaj wymienić Dyrektywę 2003/59/WE [23] dotyczącą wstępnej kwalifikacji i okresowego szkolenia kierowców wybranych pojazdów drogowych, w tym także do przewozu osób. Paliwa stosowane przez operatorów również muszą spełniać odpowiednie kryteria jakościowe, co przedstawiono m.in. w Dyrektywie 2003/17/WE [22].

Ponadto istnieją inne dokumenty stanowiące uzupełnienie przedstawionych zapisów.

W wybranych miastach lub większych obszarach Unii Europejskiej wprowadzane są specjalne wymagania dla grupy autobusów miejskich, np. w zakresie ich ekologiczności. Ze względu na jakość powietrza w aglomeracjach, najczęściej władze miast wymagają od przewoźników, aby tabor charakteryzował się zmniejszoną emisją cząstek stałych i tlenków azotu. Związane jest to z obowiązującą Dyrektywą 1999/30/WE [30] dotycząca jakości powietrza otoczenia. Ze względu na wprowadzanie przez Unię Europejską różnego rodzaju programów i inicjatyw ukierunkowanych na ochronę środowiska i podjęcie problematyki zrównoważonego rozwoju, opracowano politykę nazwaną „Green Public Procurement (GPP)” [97]. Ma ona na celu zdefiniowanie wytycznych, dotyczących ograniczania oddziaływania inwestycji sektora publicznego na środowisko naturalne, a także wykorzystania procedur zamówień publicznych do pobudzania innowacji technologicznych i usługowych. W 2011 r.

opublikowano podręcznik: „Ekologiczne zakupy! Podręcznik dotyczący zielonych

zamówień publicznych”, w którym przedstawiono m.in. wytyczne odnoszące się do

transportu miejskiego [44]. Zawarte informacje obejmują realizację usług

przewozowych, a także autobusów, przy czym w warunkach zakupu pojazdów

zdefiniowano kryteria podstawowe (emisja związków szkodliwych i hałasu) oraz

kompleksowe (uwzględniające inne cechy, np. zastosowane oleje oraz środki

smarne, opony itp.).

25

3.2 Homologacja autobusów miejskich w zakresie emisji jednostkowej zanieczyszczeń

Dla grupy pojazdów ciężkich, ze względu na ich konstrukcje charakteryzujące się znacznymi rozmiarami oraz generowanymi mocami przez układy napędowe, homologacja w zakresie emisji jednostkowej spalin wykonywana jest dla samego silnika spalinowego na stanowiskach hamownianych. Z tego powodu w przepisach przedstawiane są graniczne wartości emisji jednostkowej w g/(kW·h). Na terenie Unii Europejskiej obowiązują normy Euro oznaczone numerami od I (wprowadzona w 1992 r.) do VI (obowiązująca obecnie). Dodatkowy standard EEV dla pojazdów przyjaznych środowisku wprowadzono w 1999 r. Stanowił on uzupełnienie przepisów od Euro III i obwiązywał do Euro V. Dopuszczalne wartości jednostkowej emisji zanieczyszczeń oraz sposoby jej wyznaczania przedstawiono w dyrektywach i rozporządzeniach, z których najważniejsze to:

 Euro I – Dyrektywa 88/77/EEC zmieniona przez Dyrektywę 91/542/EEC [14, 32],

 Euro II – Dyrektywa 88/77/EEC zmieniona przez Dyrektywy 91/542/EEC oraz 96/1/EEC [14, 18, 32],

 Euro III – Dyrektywa 88/77/EEC zmieniona przez Dyrektywy 1999/96/EC oraz 2001/27/EC [16, 17, 32],

 Euro IV – Dyrektywa 88/77/EEC zmieniona przez Dyrektywy 1999/96/EC, 2005/55/EC, 2005/78/EC oraz 2006/51/EC [16, 24, 27, 28, 32],

 Euro V – Dyrektywa 2005/55/EC i 2005/78/EC zmienione przez Dyrektywy 2006/51/EC oraz 2008/74/EC [24, 26–28],

 Euro VI – Rozporządzenie Komisji UE 595/2009 wraz z Rozporządzeniami Komisji UE 582/2011 oraz UE 64/2012 i zmieniającymi UE 133/2014 w celu dostosowania do postępu technicznego [69–72].

Dla wszystkich norm Euro konieczne jest wykonywanie badań w ustalonych punktach pracy w testach statycznych. Graniczne wartości emisji zanieczyszczeń dla silników ZS zmniejszano wraz z wprowadzaniem kolejnych dyrektyw oraz rozporządzeń (rys. 3.1). Względne zmniejszenie emisji jednostkowej zanieczyszczeń poszczególnych składników toksycznych spalin wynosiło odpowiednio: dla CO – 67%, HC – 88%, NO

– 95% oraz w zakresie masy PM – 98%. Dla zadymienia spalin obowiązywały limity w normach Euro III–V. Ze względu na rozwój silników spalinowych, pozasilnikowych układów oczyszczania spalin, konieczne stało się wprowadzenie wartości granicznych w normie Euro VI dotyczących liczby cząstek oznaczanych, jako PN (Particle Number).

Wraz z wprowadzeniem normy Euro III zaczęły obowiązywać hamowniane testy

dynamiczne, w których silnik spalinowy badano w zmiennych parametrach pracy,

z uwzględnieniem występowania napędu zewnętrznego. Tak jak w testach statycznych,

wartości graniczne emisji jednostkowej były stopniowo zmniejszane dla kolejnych

norm Euro (rys. 3.2). Względne zmniejszenie emisji jednostkowej CO wyniosło 27%,

NMHC – 79%, CH

– 69%, NO

– 91%. W zakresie jednostkowej masy cząstek stałych

wymogi wprowadziły największą, 95-procentową redukcję, przy czym konieczne jest

również spełnienie wymogów dla emisji jednostkowej liczby cząstek stałych. Jako

26

1) dla normy Euro VI wprowadzono także limit dla NH3 2) standard obowiązywał dla Euro III–Euro V w teście ESC

3) dla silników o objętości skokowej mniejszej niż 0,75 dm³/cyl. i prędkości obrotowej większej niż 3000 obr/min

Rys. 3.1. Względne zmniejszenie dopuszczalnych wartości emisji jednostkowej zanieczyszczeń związane z wprowadzaniem kolejnych norm Euro dla testów statycznych [35, 93]

1) dla normy Euro VI wprowadzono także limit dla NH3 2) standard obowiązywał dla Euro III–Euro V w teście ETC

3) dotyczy silników o zapłonie iskrowym, dla silników o zapłonie samoczynnym limit dotyczy emisji jednostkowej HC

4) dla silników o objętości skokowej mniejszej niż 0,75 dm³/cyl. i prędkości obrotowej większej niż 3000 obr/min

Rys. 3.2. Względne zmniejszenie dopuszczalnych wartości emisji jednostkowej zanieczyszczeń związane z wprowadzaniem kolejnych norm Euro dla testów dynamicznych [35, 93]

–37%

Zadymienie [%]

–11%

–88%

–95%

–98%

Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI¹⁾

–67%

–53%

–12%

–40% –58%

–58%

–37%

–56% –75%

–84% –97%

–75%–79%

–41%–59%

CO [%]

100

50

0

100

50

0 100

50

0 100

50

0

HC [%]NOx [%]PM [%] > 85 kW

1992

100

50

0

1996 2000 2005 2013

(31 grudnia)

≤ 85 kW

1998 2008

3)

EEV²⁾

–67%

–77%

–75%

–97%

–81%

1999–2012 +Limit PN

–91%

–95%

–30%

–60%

–85%

–24%

100

50

0

NOx [%]PM [%] _{+Limit PN}

2000 2005 2013

(31 grudnia) 2008

–60%

–90%

1999–2012

4)

–79%

–69%

Euro III Euro IV Euro V Euro VI¹⁾

–27%

–31%

–29%

CO [%]

100

50

0

100

50

0 100

50

NMHC [%]CH [%]4 0

EEV²⁾

–45%

–49%

–59%

100

50

0

3)

3)