Badania wpływu topografii terenu na emisję związków szkodliwych spalin samochodów osobowych

Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

Arkadiusz Stojecki

Badania wpływu topografii terenu na emisję związków szkodliwych spalin samochodów osobowych

Rozprawa doktorska

Promotor: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz

Poznań 2015

Spis treści

Streszczenie ... 4

Wykaz ważniejszych symboli ... 5

1. Wprowadzenie ... 7

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym ... 9

2.1. Zagrożenia związane z zanieczyszczeniem środowiska ... 9

2.2. Zagrożenia środowiskowe ze strony transportu ... 14

3. Energochłonność pojazdu związana z oporami ruchu a topografia terenu ... 24

3.1. Opory ruchu pojazdu ... 24

3.1.1. Rodzaje oporów ruchu ... 24

3.1.2. Opór toczenia ... 24

3.1.3. Opór wzniesienia ... 29

3.1.4. Opór powietrza ... 30

3.2. Energochłonność ruchu pojazdów w zmiennej topografii terenu ... 33

4. Problematyka rozprawy ... 38

5. Metodyka badań ... 40

5.1. Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa ... 40

5.1.1. Wiadomości wstępne ... 40

5.1.2. Obiekty badań ... 41

5.2. Metodyka pomiarów na hamowni podwoziowej ... 43

5.2.1. Opis stanowiska badawczego ... 43

5.2.2. Dobór obciążeń rolkowego stanowiska dynamometrycznego ... 47

5.2.3. Wyznaczanie emisji zanieczyszczeń ... 48

5.3. Metodyka pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu ... 50

5.3.1. Aparatura pomiarowa ... 50

5.3.2. Charakterystyka tras badawczych ... 57

5.3.3. Wyznaczanie emisji zanieczyszczeń w warunkach ruchu drogowego ... 62

6. Wyniki badań własnych i ich analiza ... 66

6.1. Badania na hamowni podwoziowej ... 66

6.1.1. Charakterystyka zarejestrowanych danych ... 66

6.1.2. Analiza uzyskanych wyników masy zanieczyszczeń ... 69

6.1.3. Ocena uzyskanych wyników emisji drogowej składników spalin pojazdu z silnikiem ZS ... 72

6.1.4. Ocena emisji drogowej zanieczyszczeń dla pojazdu z silnikiem ZI ... 77

6.2. Badania w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego ... 80

6.2.1. Badania w terenie płaskim pojazdu z silnikiem ZS ... 80

6.2.2. Badania w terenie górzystym pojazdu z silnikiem ZS ... 90

6.2.3. Badania w terenie płaskim pojazdu z silnikiem ZI... 100

6.2.3. Badania w terenie górzystym pojazdu z silnikiem ZI ... 110

6.2.5. Uogólnienie wyników badań ... 120

7. Wnioski i kierunki dalszych badań ... 123

7.1. Podsumowanie... 123

7.2. Wnioski ... 123

7.3. Kierunki dalszych prac ... 125

Literatura ... 126

Summary ... 132

Streszczenie

Rosnące wymagania dotyczące ochrony środowiska naturalnego oraz, w konsekwen- cji, potrzeba wykonywania pomiarów emisji zanieczyszczeń z pojazdów – również w rzeczywistych warunkach ruchu – zaowocowało podjęciem tematu wpływu topografii terenu na wartości emisji zanieczyszczeń zawartych w spalinach pojazdów samocho- dowych. Dotychczasowe badania i wyniki publikowane w literaturze odnoszą się do terenów płaskich lub zagadnienia dotyczące wpływu topografii na emisję szkodliwych składników spalin zostały pominięte. Jednakże znaczne zróżnicowanie terenu, w którym dokonuje się pomiarów emisji zanieczyszczeń z pojazdów może mieć znaczący wpływ na uzyskiwane rezultaty.

Głównym celem rozprawy jest analiza parametrów ekologicznych pojazdów podczas jazdy po drogach o zmiennym ukształtowaniu wzdłużnym w rzeczywistych warunkach ruchu. Szczególny nacisk położono na porównanie parametrów ekologicznych pojaz- dów zasilanych olejem napędowym i benzyną w stosunku do poziomego nachylenia osi jezdni.

Część wprowadzająca pracy obejmuje opis zagadnień ochrony środowiska na tle rozwoju konstrukcji silników spalinowych i nowych pojazdów. Zawarto w niej również opis energochłonności pojazdu na tle zmiennej topografii terenu. Przeanalizowano zmiany topografii terenu i ich wpływ na teoretyczne właściwości użytkowe pojazdów (analiza polegała na ocenie prędkości obrotowej silnika i obciążenia pojazdu podczas jazdy ze stałą prędkością w zależności od nachylenia drogi).

W pracy zawarto szczegółową metodykę badań, opisano obiekty badań oraz warunki przeprowadzenia poszczególnych etapów testów emisyjnych i zastosowaną aparaturę.

Wykorzystano aparaturę badawczą do pomiaru związków gazowych, jaki i cząstek sta- łych – zarówno w odniesieniu do pomiaru masy, liczby cząstek oraz ich rozkładu śred- nicowego.

Część druga – badawcza – polegała na ocenie emisji zanieczyszczeń z pojazdów za- silanych olejem napędowym i benzyną. W pierwszym etapie dokonano badań na ha- mowni podwoziowej w homologacyjnym teście europejskim dla różnych nastaw pochy- lenia drogi. Drugi etap dotyczył badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego tych samych obiektów badawczych, gdzie wykorzystując mobilny system pomiarów związków szkodliwych dokonano pomiaru natężenia emisji zanieczyszczeń samocho- dów osobowych w warunkach zmiennego ukształtowania terenu.

Wykonane badania podzielono na kilka płaszczyzn, z których jednoznacznie wynika, że w testach emisji spalin prowadzonych w terenie płaskim uzyskuje się znacznie mniejszą emisję zanieczyszczeń, niż wynikałoby ona z warunków użytkowania pojaz- dów w różnorodnej topografii terenu.

W zakończeniu zawarto podsumowanie i wnioski, wynikające z przeprowadzonych

analiz i badań. Odniesiono je głównie do aspektów ekologicznych związanych z wpły-

wem topografii terenu na emisję zanieczyszczeń samochodów osobowych, jednak część

z nich ma charakter uniwersalny i może znaleźć zastosowanie także dla innych pojaz-

dów.

Wykaz ważniejszych symboli

ACEA – Association des Constructeurs Européens d’Automobile – Stowarzysze- nie Europejskich Konstruktorów Samochodów

CAN – controller area network – sieć przesyłu danych

CARB – California Air Resource Board – Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powie- trza

CCR – California Code of Regulations – normy stanu Kalifornia CO – tlenek węgla

CO

– dwutlenek węgla

DI – direct injection – wtrysk bezpośredni

DPF – diesel particulate filter – filtr cząstek stałych

ECE – Economic Commission for Europe – Europejska Komisja Gospodarcza ECM – engine control module – moduł pomiarowo-sterujący silnika

ECU – electronic control unit – elektroniczny sterownik (silnika); główny mi- krokontroler sterujący pracę silnika i układów redukcji spalin; miejsce implementacji pokładowych systemów diagnostycznych

EEC – European Economic Community – Europejska Wspólnota Gospodarcza EOBD – European on-board diagnostic – europejski system diagnostyki pokła-

dowej

EPA – Environment Protection Agency – Amerykańska Agencja Ochrony Śro- dowiska, czyli Urząd Ochrony Środowiska w USA

EU – European Union – Unia Europejska

EUDC – extra urban driving cycle – pozamiejski europejski test jezdny Euro – normy emisji spalin w Europie

GDI – gasoline direct injection – bezpośredni wtrysk benzyny do komory spa- lania (wysokociśnieniowy)

GHG – greenhouse gas emissions – emisja gazów cieplarnianych HC – węglowodory

ISO – International Organisation for Standardization – Międzynarodowa Or- ganizacja Normalizacyjna

LDV – light duty vehicle – lekki użytkowy pojazd samochodowy o liczbie miejsc do 12 (według klasyfikacji amerykańskiej)

M

– moment obrotowy silnika

MPI – multi point injection – wielopunktowy wtrysk paliwa do kanałów dolo- towych (niskociśnieniowy, dotyczy silników ZI)

n – prędkość obrotowa

NDIR – non-dispersive infrared – niedyspersyjny na podczerwień NDUV – non-dispersive ultraviolet – niedyspersyjny na ultrafiolet N

– moc użyteczna silnika

NEDC – New European Driving Cycle – nowy europejski cykl jezdny – zmodyfi- kowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem spalin NO – tlenek azotu

NO

– tlenki azotu

OBD – on-board diagnostic – diagnostyka pokładowa (pokładowy system diagno- styczny)

PC – passenger car – samochód osobowy

PCM – powertrain control module – centralny sterownik układu napędowego

PM – particule mass – masa cząstek stałych

Wykaz ważniejszych symboli 6

PN – particle number – liczba cząstek stałych

PNC – particle number counter – licznik cząstek stałych ppm – parts per million – liczba części na milion

RDE – real driving emissions – emisja w rzeczywistych warunkach ruchu SAE – Society of Automotive Engineers – Stowarzyszenie Inżynierów Samo-

chodowych

SUV – sports utility vehicle – samochód o przeznaczeniu sportowo-użytkowym

t – czas

THC – total hydrocarbons – całkowita emisja węglowodorów u – współczynnik udziału

UDC – urban driving cycle – europejski miejski cykl jezdny UE – Unia Europejska

V – prędkość pojazdu

WLTP – worldwide harmonized light-duty test procedures – nowa procedura ba- dania emisji z lekkich pojazdów samochodowych

ZI – zapłon iskrowy ZS – zapłon samoczynny



– współczynnik nadmiaru powietrza

1. Wprowadzenie

Jakość powietrza w Europie znacznie się poprawiła, odkąd w latach 70. XX wieku w Unii Europejskiej zaczęto ograniczać stężenia takich substancji, jak dwutlenek siarki, tlenek węgla, benzen i ołów. W Unii Europejskiej dysponuje się trzema różnymi me- chanizmami prawnymi umożliwiającymi ograniczanie zanieczyszczenia powietrza. Są to: definiowanie ogólnych norm jakości powietrza dotyczących stężenia zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym; określanie (krajowych) wartości granicznych łącznej emisji zanieczyszczeń; oraz opracowywanie prawodawstwa dotyczącego określonych źródeł zanieczyszczeń, na przykład dotyczącego kontroli emisji przemysłowych lub określania norm dotyczących emisji zanieczyszczeń przez pojazdy, efektywności ener- getycznej lub jakości paliw. Prawodawstwo to uzupełniają strategie i środki umożliwia- jące propagowanie ochrony środowiska i ich uwzględnianie w sektorze transportu i energetyki.

Pod koniec 2013 r. Komisja zaproponowała nowy pakiet polityki dotyczący czystego powietrza z dwoma kluczowymi celami, tj. zachowaniem zgodności z obowiązującym prawodawstwem do 2020 r. i ograniczeniem długoterminowego wpływu zanieczysz- czenia powietrza [48]. Pakiet ten zawiera nowy program „Czyste powietrze dla Euro- py”, w którym opisano wyżej wymieniony problem i środki polityczne niezbędne do osiągnięcia nowych celów śródokresowych, aby ograniczyć negatywny wpływ zanie- czyszczeń na zdrowie i środowisko do 2030 r. Proponuje się w nim przegląd dyrektywy w sprawie krajowych poziomów emisji i uaktualnienie krajowych pułapów na lata 2020 i 2030 dla czterech obecnie uwzględnionych zanieczyszczeń, a także dwóch dodatko- wych, tj. drobnych cząstek stałych i metanu. W pakiecie uwzględniono również wnio- sek dotyczący nowej dyrektywy w sprawie ograniczenia emisji niektórych zanieczysz- czeń do powietrza ze średnich obiektów energetycznego spalania (jako uzupełnienie już obowiązujących przepisów dotyczących dużych obiektów energetycznego spalania) oraz wniosek o ratyfikację zmienionego protokołu z Göteborga do konwencji Europej- skiej Komisji Gospodarczej ONZ (EKG ONZ) w sprawie transgranicznego zanieczysz- czania powietrza na dalekie odległości, którego celem jest przeciwdziałanie zakwasze- niu, eutrofizacji i powstawaniu ozonu w warstwie przyziemnej.

Sektor transportu jest drugim co do wielkości źródłem emisji zanieczyszczeń w Unii Europejskiej. Mimo podejmowanych działań udział transportu w ogólnej emisji wciąż rośnie. W samym sektorze transportowym największym źródłem odpowiedzialnym za emisję gazów cieplarnianych jest transport drogowy. I choć skoordynowany program polityki klimatycznej został przyjęty dopiero w 2007 r., pierwsze regulacje unijne na- kierowane na ograniczanie emisji zanieczyszczeń przez pojazdy w transporcie drogo- wym powstały w latach 70. XX wieku. Obecny kształt działań UE na rzecz zmniejsze- nia między innymi emisyjności transportu drogowego nie ogranicza się wyłącznie do programów i regulacji służących kształtowaniu technicznej (konstrukcyjnej) strony po- jazdów – ich energooszczędności i emisyjności, ale obejmuje skoordynowane działania na wielu płaszczyznach.

Przyjęte dyrektywy ograniczają zanieczyszczenia powodowane przez transport,

przez określenie norm emisji składników spalin dla różnych kategorii pojazdów, takich

jak samochody osobowe, lekkie pojazdy użytkowe, samochody ciężarowe, autobusy i

motocykle oraz uregulowanie jakości paliwa. Aktualnie obowiązująca norma emisji dla

samochodów osobowych to Euro 6. Określono w niej wartości graniczne emisji dla kil-

ku zanieczyszczeń powietrza, w szczególności tlenków azotu i cząstek stałych. Państwa

członkowskie są zobowiązane odmówić udzielenia homologacji typu, rejestracji, sprze-

daży i wprowadzenia pojazdów (i urządzeń ograniczających emisję zanieczyszczeń jako

1. Wprowadzenie 8

części zamiennych), które nie spełniają wymagań aktualnej normy i limitów emisji.

Norma ta zawiera również klauzulę przeglądową dotyczącą cyklu jezdnego i procedury badania, w celu dopilnowania, aby badania odbywały się w rzeczywistych warunkach drogowych. W rozporządzeniu (WE) nr 595/2009 [89] określono wartości graniczne emisji dla pojazdów ciężarowych o dużej ładowności (autobusów i samochodów cięża- rowych). Obecnie obowiązującą normą jest norma Euro VI.

W swoim komunikacie CARS 2020 [22] Komisja zwróciła uwagę na niedociągnięcia w obecnych procedurach i zobowiązała się do wprowadzenia nowej procedury badania w ramach homologacji typu w celu oceny poziomu emisji zanieczyszczeń z pojazdów samochodowych w rzeczywistych warunkach jazdy. Wartości emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach jazdy (RDE – Real Driving Emissions) będą rejestrowane [2, 16] i przekazywane do organów Komisji Europejskiej, a najpóźniej po trzech latach procedura RDE będzie stosowana do homologacji typu, wraz z ustalonymi poziomami emisji dopuszczalnej.

W związku z coraz bardziej surowymi wymaganiami dotyczącymi ochrony środowi-

ska naturalnego oraz potrzebą pomiarów emisji zanieczyszczeń z pojazdów samocho-

dowych, również w rzeczywistych warunkach ruchu, w niniejszej pracy zwrócono

szczególną uwagę na wpływ topografii terenu, na wartość emisji zanieczyszczeń z po-

jazdów. Dotychczasowe badania i wyniki publikowane w literaturze odnoszą się do

terenów płaskich lub wpływ topografii na emisję szkodliwych składników spalin jest

pominięty. Jednakże duże zróżnicowanie terenu, w którym dokonuje się pomiarów emi-

sji zanieczyszczeń z pojazdów, może znacznie wpływać na uzyskane rezultaty pomia-

rów.

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym

2.1. Zagrożenia związane z zanieczyszczeniem środowiska

Dobra jakość powietrza atmosferycznego jest jedną z podstawowych potrzeb czło- wieka, ale problemy z jego czystością występują już od 2,5 tysięcy lat – udowodniły to wyniki badań rdzeni lodowych na Grenlandii [76]. Zanieczyszczenie atmosfery nasiliło się wraz z rewolucją przemysłową w XIX w. i pozostaje istotnym problemem również w pierwszej połowie XXI wieku. Zagrożenia wywoływane przez zanieczyszczenia po- wietrza mają rozległy zasięg oddziaływania – dotyczą skali przestrzennej od lokalnej do globalnej i skali czasowej od krótkoterminowej (rzędu godzin, dni) do wieloletniej. Po- za wpływem bezpośrednim na zdrowie ludzkie czy komponenty środowiska przyrodni- czego, zachodzi wiele szkodliwych efektów pośrednich, mających złożony wpływ na gleby, roślinność, wody powierzchniowe i podziemne.

Atmosfera jest najbardziej zmienną w czasie sferą systemu ziemskiego i jedyną, któ- ra łączy się bezpośrednio z innymi sferami – litosferą, hydrosferą, kriosferą, biosferą i antroposferą. Wobec tego, zanieczyszczenie atmosfery powoduje, po pewnym czasie, zanieczyszczenie pozostałych sfer. Zanieczyszczenia powietrza generują również zjawi- ska o znaczeniu globalnym, takie jak nasilenie naturalnego efektu cieplarnianego i zu- bożenie warstwy ozonowej w stratosferze, które przyczyniają się do zmian klimatu Ziemi. W XX w. stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze i ich wymuszenia radia- cyjne zwiększały się w wyniku działalności ludzkiej, czego skutkiem był wzrost śred- niej temperatury powietrza i oceanów [52].

Niezwykle istotne jest całościowe podejście do kwestii zarządzania jakością powie- trza atmosferycznego, tj. uwzględnienie zarówno problematyki związanej z efektami wpływu zanieczyszczeń na zdrowie ludzkie, jak i na szeroko pojęte środowisko oraz klimat Ziemi. Wiele zanieczyszczeń powietrza może ulegać transportowi na tysiące kilometrów od miejsca ich emisji, a niektóre z nich także transportowi do wyższych warstw atmosfery (stratosfera) [45].

Emitowane do atmosfery gazy, przede wszystkim dwutlenek i tlenek węgla (CO

, CO), dwutlenek siarki (SO

), tlenki azotu (NO

), lotne związki organiczne (LZO), trwa- łe związki organiczne (jak np. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne – WWA – dioksyny, freony) oraz cząstki stałe o różnej wielkości, a także zanieczyszczenia wtórne, powstające w troposferze na skutek zachodzących w niej reakcji chemicznych (zwłaszcza fotochemicznych), przede wszystkim ozon (O

) oraz cząstki wtórne, nega- tywnie wpływają na stan zasobów (wód, gleb, lasów) oraz na zdrowie ludzkie. Nawet stosunkowo małe stężenie ozonu, czy cząstek stałych bardzo drobnych (PM2,5 – cząstki stałe o średnicy aerodynamicznej mniejszej niż 2,5 m), negatywnie wpływają na układ oddechowy i układ krążenia, szczególnie u osób z grup podwyższonego ryzyka (ludzie chorzy, starsi, dzieci). Nowe metodyki pomiarowe, pozwalające m.in. na określanie stężeń i składu chemicznego drobnych cząstek stałych, a także liczne badania epidemio- logiczne [40] wskazują obecnie, że wpływ zanieczyszczonego powietrza na zdrowie ludzkie jest poważniejszy niż oceniano w XX w.

W ostatnich latach odnotowuje się występowanie bardzo wysokich stężeń zanie-

czyszczeń, zwłaszcza w dużych i wielkich aglomeracjach miejskich. Zachodzą tutaj

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym 10

sprzężenia zwrotne między zmianami klimatu, zmianami w zasobności społeczeństw (np. wybór paliw do ogrzewania pomieszczeń) a zmianami w jakości powietrza. Naj- większe zanieczyszczenie dolnej troposfery występuje na półkuli północnej, zwłaszcza w rozbudowujących się bardzo intensywnie mega-miastach azjatyckich, ale także w dużych miastach Afryki i Ameryki Południowej. W Europie najgorszy stan jakości po- wietrza obserwuje się także w miastach - gdzie żyje prawie trzy czwarte populacji Eu- ropy (miasta i obszary podmiejskie) [15].

Mimo znacznej redukcji zanieczyszczeń do atmosfery w krajach rozwiniętych (Ame- ryka Północna, Europa) w ostatnim dwudziestoleciu, jakość powietrza atmosferycznego w skali świata nie uległa proporcjonalnej poprawie i nadal jest niezadowalająca. Powo- dem takiego stanu rzeczy jest istotny udział w zanieczyszczeniu powietrza zanieczysz- czeń wtórnych (zwłaszcza ozonu i cząstek stałych), na których stężenia w atmosferze – poza wielkością emisji prekursorów – w istotny sposób wpływają parametry meteorolo- giczne i zmiany klimatyczne. Narażenie na ponadnormatywne stężenia zanieczyszczeń powietrza prowadzi do ogólnego pogorszenia stanu zdrowia, skrócenia średniej długości życia oraz przyczynia się do przedwczesnej śmierci.

Podstawowym aktem prawa europejskiego, określającym wymagania w zakresie ochrony powietrza w państwach członkowskich Unii Europejskiej jest dyrektywa Parla- mentu Europejskiego i Rady 2008/50/WE [27] w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy (CAFE – cleaner air for Europe). W dyrektywie wprowadzono kontrolę, oprócz związków gazowych, dodatkowo cząstek PM2,5 oraz PM10. Uzupełnie- niem jest prawnie niewiążący cel dotyczący ograniczenia PM2,5 w latach 2010 do 2020 w każdym państwie członkowskim, na podstawie danych pomiarowych (tabl. 2.1).

Tablica 2.1. Dopuszczalne wartości stężenia wybranych zanieczyszczeń powietrza ustalone w dyrektywie 2008/50/WE (dotyczące ochrony zdrowia człowieka) [27]

Zanieczyszczenie Stężenie dopuszczalne [g/m³]

1-godzinne 8-godzinne 24-godzinne średnioroczne

CO – 7000/5000^* – –

SO2 – – 75/50^** 20

NO2 140/100^*** – – 32/26

PM10 – – 35/25^**** 28/20

PM2,5 – – – 17/12

Ołów – – – 0,35/0,25

Benzen – – – 3,5/2,0

* Górny/dolny przedział oszacowania.

** Nie może zostać przekroczona więcej niż 3 razy w roku kalendarzowym.

*** Nie może zostać przekroczona więcej niż 18 razy w roku kalendarzowym.

**** Nie może zostać przekroczona więcej niż 35 razy w roku kalendarzowym.

Podstawowymi celami Dyrektywy CAFE są:

1) określenie wartości dotyczących jakości powietrza, wyznaczonych w taki sposób, aby unikać, zapobiegać lub ograniczać szkodliwe oddziaływanie na zdrowie ludzi i śro- dowisko jako całość,

2) ocena jakości powietrza w państwach członkowskich na podstawie wspólnych me-

tod i kryteriów,

3) uzyskiwanie informacji na temat jakości powietrza, pomocnych w walce z zanie- czyszczeniami powietrza i uciążliwościami oraz w monitorowaniu długoterminowych trendów i poprawy stanu powietrza wynikających z realizacji środków krajowych i wspólnotowych,

4) zapewnienie, aby informacja na temat jakości powietrza była udostępniana społe- czeństwu,

5) utrzymanie jakości powietrza, tam gdzie jest ona dobra, oraz jej poprawę w pozo- stałych przypadkach,

6) promowanie ścisłej współpracy pomiędzy państwami członkowskimi w zakresie ograniczania zanieczyszczenia powietrza.

W dyrektywie w sprawie jakości powietrza (2008/WE/50), UE wyznaczyła dwie war- tości graniczne dla dwutlenku siarki (SO

) dotyczące ochrony zdrowia człowieka w stre- fach wyznaczonych przez państwa członkowskie: średnie dopuszczalne stężenie 24-godzinne nie może przekraczać 75 g/m

(górny przedział szacowania) oraz 50 g/m

(dolny przedział szacowania) (rys. 2.1).

Dla dwutlenku azotu natomiast w dyrektywie wyznaczono dwie wartości graniczne w celu ochrony zdrowia ludzi: NO

godzinowa średnia wartość nie może przekraczać 140

więcej niż 18 razy w roku (dla górnego przedziału szacowania). Tylko w niewielkim obszarze Polski w obszarze górskim jest ten limit przekroczony (rys. 2.2).

Rys. 2.2. Wartości stężenia dwutlenku azotu w Europie w roku 2012: ■ – kraje nie oce- niane, □ – brak danych, ■ – stężenie mniej- sze niż limit, ■ – stężenie większe niż limit,

■ – stężenie w granicach limitu i błędu po- miaru, ■ – stężenie większe niż limit powiększone o limit błędu

W 2010 r. na stężenia cząstek PM10 było narażone 21% ludności miejskiej na po- ziomach wyższych niż dopuszczalne w UE dzienne wartości (rys. 2.3 i 2.4). Do 30%

ludności miejskiej było narażone na zbyt wysokie stężenia drobniejszych cząstek PM2,5

(rys. 2.5). Według poziomów odniesienia WHO, bardziej rygorystycznych niż w przepi-

sach UE, odpowiednio do 81% i 95% mieszkańców miast było narażonych na stężenia

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym 12

przekraczające wartości odniesienia wyznaczone w celu ochrony zdrowia ludzkiego [23, 78]. Najczęściej wartość rocznego limitu dla PM 10 była przekraczana w Polsce, Włoszech, Słowacji, na Bałkanach, w Turcji i w kilku regionach mocno zurbanizowa- nych.

● – mniejsze niż 20 g/m³, ● – z zakresu 20–31 g/m³, ● – z zakresu 31–10 g/m³,

● – z zakresu 40–50 g/m³, ● – większe niż 50 g/m³ [1]

Rys. 2.4. Wartości dzienne stężenia czą- stek stałych PM10 w Europie w roku 2012:

■ – kraje nieoceniane, □ – brak danych,

■ – stężenie mniejsze niż limit, ■ – stęże- nie większe niż limit

Podstawowy cel Dyrektywy CAFE, jakim jest zapobieganie i ograniczanie szkodli- wego oddziaływania zanieczyszczeń powietrza na zdrowie ludzi i środowisko, jako ca- łość nie został w Polsce osiągnięty. Wpłynęła na to spóźniona i nie do końca poprawna transpozycja Dyrektywy CAFE do prawa polskiego oraz, w konsekwencji, spóźniona implementacja. Należy przede wszystkim wskazać na naruszenia zobowiązań gwarantu- jących, że wartości substancji w powietrzu nie przekroczą wartości dopuszczalnych.

Z oceny za 2011 rok wynika, że w każdej strefie odnotowano przekroczenie wartości normatywnych stężeń dla jednego lub więcej zanieczyszczenia, skutkujące zakwalifi- kowaniem strefy do klasy C dla tego zanieczyszczenia. W strefach zaliczonych do klasy C wymagane jest prowadzenie działań mających na celu osiągnięcie poziomów dopusz- czalnych lub poziomów docelowych substancji w powietrzu (m.in. w ramach progra- mów ochrony powietrza) – w odniesieniu do substancji i obszarów, dla których stwier- dzono przekroczenia odpowiednich wartości kryterialnych stężeń.

Dość duża liczba stref została zaliczona do klasy C dla cząstek stałych PM2,5 (rys.

2.6). Przekroczenia wartości kryterialnej kwalifikujące strefę do klasy C (poziomu do- puszczalnego powiększonego o margines tolerancji) odnotowano w 21 strefach (ok.

46% wszystkich). Sześć stref zaliczono do klasy B. Łączna liczba stref w klasie B i C

(oznaczająca wystąpienie w strefie przekroczenia poziomu dopuszczalnego) była po-

dobna jak w ocenie za 2010 rok. Rezultaty oceny dokonanej w oparciu o kryteria usta-

nowione w celu ochrony zdrowia za 2011 rok są zbliżone do uzyskanych w wyniku

rocznej oceny jakości powietrza za 2010 rok, prowadzonej w tym samym układzie stref

w kraju [41].

● – z zakresu 20–25 g/m³, ● – z zakresu 25–00 g/m³, ● – większe niż 30 g/m³ [1]

Rys. 2.6. Klasyfikacja stref cząstek stałych PM2,5 dla Polski w roku 2010

W Polsce obowiązującym dokumentem prawnym określającym wartości graniczne stężeń substancji obecnych w powietrzu było Rozporządzenie Ministra Ochrony Środo- wiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 28.04.1998 r. w sprawie dopuszczalnych war- tości stężeń substancji zanieczyszczających w powietrzu [88]. W rozporządzeniu określo- no poziomy stężeń granicznych dla terenu całej Polski (tabl. 2.2) z wyróżnieniem obsza- rów podlegających szczególnej ochronie, takich jak: parki narodowe, leśne kompleksy i promocyjne pomniki historii wpisane na listę światowego dziedzictwa. Dopuszczalne stężenia odnoszą się do czterech okresów uśrednienia: 30 min (chwilowe), 8 h (dotyczy tylko stężenia ozonu), 24 h (średniodobowe), oraz roku (średnioroczne).

Tablica 2.2. Dopuszczalne wartości stężenia wybranych zanieczyszczeń powietrza obowiązują- ce na terenie Polski [88]

Zanieczyszczenie Stężenie dopuszczalne [g/m³]

średnioroczne 24-godzinne 8-godzinne 30-minutowe

CO2 40 150 – 500

NO2 40 150 – 500

CO 2000 5000 – 20 000

PM10 50

(20 od 2010 r.)

125 (50 od 2005 r.)

– 280^*

PM 75 150 – 350^*

O3 – – 110^** –

* Wielkość normowana tylko w celach obliczeniowych.

** Dopuszczalna wartość stężenia w odniesieniu do przedziału czasowego 10.00–18.00.

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym 14

Podstawą europejskiej polityki ochrony środowiska są programy działania. Oficjalnie nie są one wiążące dla państw członkowskich – stanowią jedynie zalecenia kierunków rozwoju polityki ochrony środowiska. Są podstawą do dyskusji nad odpowiednimi aktami regulującymi ochronę środowiska w krajach Unii Europejskiej.

2.2. Zagrożenia środowiskowe ze strony transportu

Dynamiczny rozwój transportu w ostatnich dekadach jest istotnym czynnikiem roz- woju gospodarczego świata i jednocześnie znaczącym źródłem uciążliwości i proble- mów istotnych szczególnie w skali lokalnej, zwłaszcza w dużych aglomeracjach miej- skich. Niekorzystne skutki transportu odczuwa zarówno środowisko przyrodnicze, jak i społeczeństwo, któremu powszechny rozwój tego sektora umożliwił swego czasu prze- kroczenie istotnej bariery rozwoju cywilizacyjnego, przy czym efekty te różnią się w zależności od poziomu rozwoju gospodarczego, stopnia zaawansowania i wykorzysta- nia różnych sektorów transportu, położenia geograficznego (w tym klimatu), a także wrażliwości elementów środowiska [5, 29, 31].

Niezwykle istotnym zagadnieniem – w obliczu współczesnych zagrożeń ze strony transportu – jest zapobieganie ich występowaniu, a gdy nie jest to możliwe – ogranicza- nie ich presji na środowisko oraz skali i zasięgu negatywnych skutków. Odpowiednie działania powinny być prowadzone na szczeblach administracji rządowej, samorządo- wej, jak również w sektorze prywatnym. Niezbędne jest wprowadzanie właściwych regulacji prawnych i administracyjnych, zapewnianie odpowiednich środków finanso- wych i potencjału ludzkiego dla rozwoju nowych technologii, planowanie przestrzenne, racjonalne projektowanie i utrzymywanie infrastruktury, a także edukowanie społeczeń- stwa i racjonalizacja zadań transportu [14, 26].

Wpływ poszczególnych sektorów gospodarki na zanieczyszczenie powietrza w Pol- sce jest zróżnicowany. Spalanie paliw w energetyce, dzięki stosowaniu wysokospraw- nych odpylaczy oraz instalacji do odsiarczania i odazotowania spalin, nie powoduje obecnie istotnego wpływu na jakość powietrza. Sektor ten ma jednak największy udział w emisji gazów cieplarnianych [52]. Ponadto, problemem w energetyce pozostaje sprawność odpylaczy elektrostatycznych w zakresie cząstek bardzo drobnych i ultrad- robnych (PM0,1). Rozwiązaniem jest zastosowanie odpylacze tkaninowych, które cha- rakteryzują się bardzo wysoką skutecznością dla wszystkich frakcji pyłów. Odrębnym zagadnieniem jest prowadzone przez elektrownie współspalanie węgla z biomasą – wymaga ono badań – zarówno w aspekcie warunków spalania, jak i w aspekcie powsta- jących zanieczyszczeń, zwłaszcza organicznych.

W raporcie bilansu emisji za lata 2011–2012 [50] stwierdzono, że w roku 2012 osza- cowana emisja SO

była mniejsza o ok. 5% w porównaniu do roku 2011. Na zmniejsze- nie emisji krajowej wpłynęło przede wszystkim zmniejszenie emisji w sektorze produk- cji i transformacji energii, głównie w elektrowniach i elektrociepłowniach, a także w procesach spalania w przemyśle, spowodowane mniejszym zużyciem węgla kamienne- go. Transport drogowy był odpowiedzialny jedynie za 0,15% emisji SO

(rys. 2.7).

Głównym źródłem emisji SO

jest energetyczne spalanie paliw (głównie węgla) w źró-

dłach stacjonarnych, które łącznie są odpowiedzialne za ponad 99% krajowej emisji

dwutlenku siarki. Źródła mobilne są odpowiedzialne tylko za ok. 0,2 % krajowej emisji

dwutlenku siarki ze względu na niską zawartość siarki w paliwach ciekłych.

Rys. 2.7. Udział sektorów w krajowej emisji dwutlenku siarki [50]

Emisja tlenków azotu zmniejszyła się w roku 2012 o około 3% w stosunku do roku 2011. Zmniejszenie emisji w sektorze produkcji i transformacji energii zostało spowo- dowane mniejszym zużyciem węgla kamiennego w elektrowniach i elektrociepłow- niach, a w transporcie drogowym mniejszym zużyciem paliw ciekłych. W roku 2012 największym źródłem emisji tlenków azotu był transport drogowy (ok. 33%) oraz ener- getyczne spalanie paliw w sektorze produkcji i transformacji energii – ok. 31% (rys.

2.8).

Rys. 2.8. Udział sektorów w krajowej emisji tlenków azotu [50]

Emisja tlenku węgla wzrosła w roku 2012 o około 0,3% w stosunku do roku 2011.

Na wzrost emisji krajowej wpłynęło przede wszystkim większe zużycie węgla kamien- nego w gospodarstwach domowych. Wystąpił spadek emisji transporcie drogowym spowodowany mniejszym zużyciem paliw ciekłych. W roku 2012 największym źródłem emisji tlenku węgla były procesy spalania poza przemysłem, które wyemitowały ok.

61,4% krajowej emisji tlenku węgla. Innym znaczącym źródłem emisji tlenku węgla jest transport drogowy – ok. 23,2% emisji krajowej w roku 2012 (rys. 2.9).

Zgodnie z przeprowadzonymi obliczeniami krajowa emisja niemetanowych lotnych

związków organicznych pochodzenia antropogenicznego w 2012 roku w Polsce wynio-

sła ok. 630 Gg. Oszacowana wielkość jest o ok. 1% niższa od emisji wyliczonej dla

poprzedniego roku. Największy wpływ na zmniejszenie emisji krajowej miał spadek

emisji związanych z zużyciem rozpuszczalników, oraz w konsekwencji ich mniejszą

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym 16

produkcją. Niewielkie wzrosty emisji wystąpiły w elektrowniach i elektrociepłowniach ze względu na większe zużycie drewna oraz w gospodarstwach domowych, spowodo- wany większym zużyciem węgla kamiennego. Największy udział (ok. 32%) w emisji niemetanowych lotnych związków organicznych, spośród źródeł stacjonarnych, mają procesy zastosowania rozpuszczalników. Duży udział w krajowej emisji niemetano- wych lotnych związków organicznych ma kategoria transport drogowy z ok. 146 Gg, co stanowi ok. 23% krajowej emisji tych związków. W tym sektorze największym źródłem emisji jest parowanie benzyny z pojazdów. Źródła naturalne (związki aromatyczne emi- towane przez roślinność oraz pożary lasów), wyemitowały ok. 283 Gg niemetanowych lotnych związków organicznych (rys. 2.10).

Rys. 2.9. Udział sektorów w krajowej emisji tlenku węgla [50]

Rys. 2.10. Udział największych sektorów w krajowej emisji niemetanowych lotnych związków organicznych [50]

Emisja wszystkich cząstek stałych PMT (Particle Matter Total) obliczona za rok 2012 jest wyższa o około 1 % w stosunku do roku 2011. Wzrost krajowej emisji PMT jest spowodowany większym zużyciem węgla kamiennego w gospodarstwach domo- wych. Głównym źródłem emisji PMT w Polsce (rys. 2.11) są procesy stacjonarnego spalania, z których pochodzi większość krajowej emisji. Kategoria procesy spalania poza przemysłem ma największy udział w emisjach PMT z grupy źródeł stacjonarnych.

Emisje z transportu drogowego oraz innych pojazdów i urządzeń stanowiły ok. 21%

emisji krajowej. Znaczna część emisji w tej kategorii pochodzi z procesów innych niż

spalanie paliw (tj. ścieranie opon i hamulców oraz ścieranie powierzchni dróg).

Rys. 2.11. Emisja wszystkich cząstek stałych PMT w roku 2012 z głównych sektorów [50]

Rys. 2.12. Emisja cząstek stałych PM10 w roku 2012 z głównych sektorów [50]

Rys. 2.13. Emisja cząstek stałych PM2,5 w roku 2012 z głównych sektorów [50]

W wyniku wzrostu natężenia transportu istotny postęp technologiczny nie wpłynął

znacząco na redukcję emisji spalin ogółem. Transport jest również odpowiedzialny za

około 10% emisji CO

do atmosfery w Polsce. W związku ze spodziewanym dalszym

wzrostem natężenia transportu, należy się spodziewać zwiększenia roli transportu w tej

emisji. Emisja z transportu drogowego dodatkowo przyczynia się do złej jakości powie-

trza w miastach; dotyczy to zwłaszcza emisji PM2,5 i NO

. Odpowiedzialny jest za to

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym 18

stosunkowo stary park samochodowy w Polsce oraz zatory i utrudnienia komunikacyj- ne, występujące w większości miast Polski (brak obwodnic, brak płynnego sterowania ruchem). Prowadzi to do kumulacji zanieczyszczeń, zwłaszcza w niekorzystnych wa- runkach pogodowych, takich jak układy wyżowe, niska temperatura powietrza i mała prędkość wiatru. Istotny jest również zły stan dróg, mający wpływ na dodatkową emisję pyłu ze ścierania nawierzchni dróg, opon i hamulców [45].

W roku 2013 w Unii Europejskiej zarejestrowano blisko 13,6 milionów samochodów osobowych, pojazdów dostawczych, ciężarówek i autobusów. Jest to znacznie niższy wynik w porównaniu z 18,6 milionami rejestracji w rekordowym dla branży 2007 roku [18]. Produkcja motoryzacyjna w Polsce zmniejszyła się w 2013 roku o 10,9% do 583 258 sztuk pojazdów, co potwierdza, że obserwowany w całej Europie spadek liczby rejestracji odbija się negatywnie na poziomie produkcji. Polska gospodarka oparła się recesji, ale produkcja motoryzacyjna zależy w ogromnym stopniu od popytu na samo- chody w pozostałych państwach kontynentu.

Park pojazdów samochodowych ogółem zwiększył się zgodnie ze wzrostem liczby aut osobowych, które od kilku już lat stanowią trzy czwarte wszystkich pojazdów. W 2012 roku przybyło ich 3,4% do 18,7 mln. Tempo powiększania się floty samochodów osobowych było mniejsze niż w 2011 roku, kiedy sięgnęło 3,7%, ale było z kolei więk- sze od zanotowanego w 2009 roku, kiedy wyniosło 2,6% (rys. 2.14).

Rys. 2.14. Liczba pojazdów samochodowych na przestrzeni lat 2005–2012 [18]

Transport drogowy jest jednym z głównych źródeł emisji zanieczyszczeń powietrza, stanowiących zagrożenie dla środowiska przyrodniczego, zdrowia, a nawet życia czło- wieka. Wskutek spalania paliw w silnikach pojazdów do powietrza trafiają: tlenek wę- gla, tlenki azotu, węglowodory, w tym wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne oraz cząstki stałe i metale ciężkie. Według danych Głównego Urzędu Statystycznego [38], w skali kraju sektor ten odpowiedzialny jest za ponad 28% całkowitej emisji tlen- ków azotu, przeszło 27% emisji tlenku węgla oraz powyżej 15% zanieczyszczeń pyło- wych. W dużych miastach, zwłaszcza o scentralizowanym systemie ciepłownictwa, udział transportu drogowego w całkowitej emisji tych zanieczyszczeń jest zdecydowa- nie większy, dochodząc w dzielnicach centralnych nawet do 90%.

Poza doskonaleniem klasycznego napędu (silnik spalinowy) prace badawcze prowa-

dzi się również w kierunku poszukiwania napędów niekonwencjonalnych, wykorzystu-

jących w głównej mierze paliwa odnawialne (rys. 2.15).

Rys. 2.15. Zmiany priorytetów ekologicznych na przestrzeni wieku [33]

Opierając się jednak na dotychczasowych analizach, można stwierdzić, że do roku 2050 będą nadal dominować silniki spalinowe. Ze względu na coraz szersze wprowa- dzanie silników z wtryskiem bezpośrednim (ZI i ZS) do samochodów osobowych i cał- kowitą dominację silników ZS w pojazdach ciężkich HDV (heavy duty vehicles) oraz w zastosowaniu pozadrogowym (off-road), należy również zwrócić uwagę na zagadnie- nie emisji nanocząstek dla tego typu silników. Rozwój silników spalinowych regulowa- ny jest w dużym stopniu wymaganiami rynku pojazdów, głównie europejskiego i ame- rykańskiego. Oba te rynki charakteryzują się dużymi wymaganiami wobec wyrobu, dużą pojemnością i dużą zasobnością społeczeństwa. Oba rynki są również podobne pod względem liczby sprzedawanych corocznie samochodów osobowych – 16–17 mi- lionów. Różnią się natomiast istotnie specyfiką pojazdów i stosowanych do ich napędu silników (rys. 2.16). W Unii Europejskiej od około 10 lat wzrastał udział silników ZS.

Jednakże obecnie udział ten w nowych samochodach osobowych zatrzymał się na war- tości około 45%. Przewiduje się dalsze zwiększanie udziału silników benzynowych na świecie również w połączeniu z silnikami hybrydowymi.

Rys. 2.16. Udział rodzajów napędów oraz silników spalinowych w pojazdach samochodowych w latach 2015-2020 [101]

Duży udział sprzedaży pojazdów z silnikami spalinowymi spowodował konieczność

poszukiwania nowych rozwiązań pozwalających na ograniczenie zużycia paliwa, a co

za tym idzie ograniczenie emisji związków szkodliwych. Nowe normy emisji spalin

implikują potrzebę ciągłego doskonalenia, poszukiwania i wdrażania nowych rozwiązań

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym 20

technicznych i technologicznych, aby w dalszym ciągu możliwe było utrzymanie obec- nego lub wzrost poziomu sprzedaży pojazdów z silnikami ZI i ZS. Niestety bardzo zaa- wansowane i precyzyjne układy wtryskowe paliwa już nie są wystarczającym rozwiąza- niem umożliwiającym spełnienie przyszłych norm emisji. Dodatkowe systemy, takie jak start/stop czy kontrola procesu nagrzewania silnika, pozwolą na obniżenie zużycia pa- liwa o kilka dodatkowych procent. Plany rozwojowe pokazują jeszcze kilka innych rozwiązań, które umożliwią silnikom spalinowym spełnienie wymogów nowych norm emisji spalin i obniżenie zużycia paliwa – są to m.in.: zmniejszanie pojemności silnika, redukcja liczby cylindrów, czy hybrydyzacja [35].

Podstawowym środkiem komunikacji pasażerskiej są pojazdy samochodowe. We- dług Eurostat, w 2010 roku samochody osobowe w Polsce wykonały 298 mld pasażero- kilometrów, co oznacza 88,4% pracy przewozowej w przewozach pasażerskich.

W strukturze tonażowej (rys. 2.17) najwięcej przewieziono ładunków pojazdami dro- gowymi (84%), co uwidacznia, że transport drogowy jest najbardziej wykorzystywany, a jednocześnie ma duży udział w emisji dwutlenku węgla i zanieczyszczeniu środowi- ska.

Rys. 2.17. Struktura przewozów ładunku w Polsce według tonażu [32, 51]

Roczna redukcja emisji drogowej dwutlenku węgla dla nowych samochodów na ryn- ku wzrosła z około 1% przed rokiem 2008 do około 4% w roku 2014. W roku 2012 średni poziom emisji drogowej CO

wynosił 132 g/km (bardzo blisko docelowego – 130 g/km ustalonego dla roku 2015). Zużycie paliwa jest bezpośrednio powiązane z emisją drogową dwutlenku węgla (130 g/km dwutlenku węgla to około 5,2 dm

/100 km). Komisja Europejska zaproponowała aby średnia emisja drogowa dwutlenku węgla w 2020 roku wynosiła 95 g/km, co odpowiadałoby zużyciu paliwa około 3,8 dm

/100 km (rys. 2.18).

Badania dotyczące emisji związków szkodliwych z pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi są ukierunkowane głównie na rozwój nowych układów napędowych (np.

hybrydowe układy napędowe) lub układów wykorzystujących alternatywne paliwa (np.

biopaliwa). W tym zakresie w ostatnich latach obserwowany jest duży postęp, należy jednak zwrócić uwagę, że są to rozwiązania przyszłościowe i zapewne znajdą one sze- rokie zastosowanie w perspektywie kilku, kilkunastu lat, natomiast do tego czasu nadal będą dominować klasyczne układy napędowe.

12,5 13 12,2 11,9 15 16

84 83,5 83,8 84,3 80,9 79,2

0% 20% 40% 60% 80% 100%

2012 2011 2010 2009 2008 2007

Udział [%]

Kolejowy Drogowy Rurociągowy Morski

Rys. 2.18. Emisja drogowa dwutlenku węgla pojazdów według grup producentów w latach 2012- 2015 i docelowym 2020 [32]

Problem zmniejszenia emisji związków szkodliwych spalin przez obecnie eksploat- owane pojazdy nie jest rozwiązany i powinien być rozwijany jednocześnie z badaniami nad przyszłościowymi układami napędowymi. W tym zakresie brak wiedzy dotyczy szczególnie warunków rzeczywistej eksploatacji pojazdów oraz wpływu różnych czyn- ników na poziom emisji, np. organizacja ruchu, rozwiązania konstrukcyjne węzłów ko- munikacyjnych infrastruktury drogowej itp. Dotychczasowe prace nie w pełni odzwier- ciedlają istniejące uwarunkowania rzeczywistego ruchu drogowego i ich wpływ na po- ziom emisji związków szkodliwych spalin. Pomiary emisji zanieczyszczeń ze źródeł silnikowych w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego uwzględniają zmienność warunków otoczenia (temperatura, ciśnienie, wilgotność, wiatr, deszcz, śnieg itp.), ja- kość nawierzchni drogi, stan ruchu (zwłaszcza utrudnienia) oraz styl jazdy kierowcy (agresywny, normalny, eco-driving).

Emisja zanieczyszczeń zwiększa ryzyko występowania poważnych schorzeń układu oddechowego i układu krążenia, zwłaszcza w skali lokalnej, wśród osób narażonych na zwiększoną ekspozycję na zanieczyszczenia komunikacyjne. W Polsce pierwsze bada- nia [3, 4] nad oszacowaniem ryzyka problemów oddechowych wśród osób zamieszku- jących przy ruchliwych ulicach przeprowadzono w Warszawie w latach 2005-2006.

Badania spirometryczne mieszkańców jednej z ruchliwych ulic porównano z grupą kon- trolną mieszkańców obszarów pozamiejskich o niskich poziomach zanieczyszczeń.

Wykazano, że zamieszkiwanie wzdłuż ruchliwej ulicy (w porównaniu z terenem nie- zurbanizowanym) powoduje niemal 3-krotny (a wśród osób niepalących ponad 4-krotny) wzrost ryzyka wystąpienia zaburzeń przepływu powietrza przez oskrzela (zwężenie oskrzeli), co stanowi jeden z kluczowych symptomów przewlekłej obturacyj- nej choroby płuc (POChP). Podobne badania, wykonane przez ten sam zespół w jednym z miast na Śląsku, wykazują istnienie bardzo zbliżonych zależności.

Emisja zanieczyszczeń komunikacyjnych ma również wpływ na powstawanie smo- gu, a także na zakwaszanie środowiska. Prekursorami związków zakwaszających docie- rających do ekosystemów są zanieczyszczenia takie, jak: SO

, NO

i NH

. Jako jedno z głównych źródeł emisji tlenków azotu, transport drogowy w istotny sposób wpływa na depozycję zanieczyszczeń powodujących negatywne konsekwencje dla roślinności (zwłaszcza lasów, przede wszystkim wysokogórskich), konstrukcji stalowych, funda- mentów betonowych oraz elementów wykonanych z piaskowca i wapienia.

0 40 80 120 160 200

Mercedes BMW GM Volkswagen Wartość średnia Ford Renault-Nissan Fiat Toyota PSA

CO₂[g/km]

2020 2015 2012

2. Zagadnienia ochrony środowiska w transporcie samochodowym 22

Infrastruktura drogowa jest istotnym czynnikiem ograniczania areału ziemi. Każdy kilometr autostrady zajmuje powierzchnię 6–7 ha, a drogi ekspresowej 4–5 ha. Infra- struktura towarzysząca (miejsca obsługi podróżnych, parkingi, stacje benzynowe itp.) oraz węzły drogowe mogą zajmować dodatkowo kilkadziesiąt hektarów (skrzyżowanie autostrad A1 i A2 w węźle Stryków zajmie powierzchnię ok. 80 ha). Eksploatacja sieci transportowej powoduje zanieczyszczanie gleb znajdujących się w bezpośrednim są- siedztwie ruchliwych dróg. Zanieczyszczenia gazowe i pyłowe sprzyjają stopniowej de- gradacji gleb i szaty roślinnej w pasie ok. 500 m od drogi, a zdecydowanie szkodliwe oddziaływanie dotyczy pasa o szerokości do 150 m. Pomimo że infrastruktura drogowa w Polsce zajmuje ok. 3% powierzchni kraju, to w zasięgu bezpośredniego oddziaływa- nia zanieczyszczeń komunikacyjnych znajduje się ok. 50% obszaru Polski. Należy mieć na uwadze, że roślinność w pasie do 50 m od drogi może być tak silnie zanieczyszczo- na, że nie będzie się nadawać nawet dla celów wypasu zwierząt [39].

Szkodliwe oddziaływanie transportu na zwierzęta wynika zarówno z bezpośredniego oddziaływania zanieczyszczeń powietrza na ich organizmy, jak również pośrednio wskutek spożywania zanieczyszczonych roślin. Wśród innych aspektów należy tu wy- mienić hałas komunikacyjny, możliwość przecinania szlaków migracyjnych i fragmen- tacji siedlisk, jak również wypadki komunikacyjne z udziałem zwierząt.

Skala problemów wynikających z działalności transportu skłania do pilnego ograni- czania jego wpływu na środowisko przyrodnicze i społeczne. Działania zaradcze zwią- zane z ograniczaniem i eliminowaniem zagrożeń wynikających z działalności transportu należy prowadzić jednocześnie na 3 płaszczyznach: edukowania społeczeństwa, zapo- biegania występowaniu zagrożeń i przeciwdziałania skutkom, którym nie udało się za- pobiec. Powinny one polegać na jednoczesnym wdrażaniu wielu rozwiązań pozwalają- cych maksymalizować szansę osiągnięcia założonego celu – ograniczenia ingerencji transportu w środowisko przyrodnicze (degradacja i zanieczyszczenie), jak i społeczne (zdrowie i bezpieczeństwo) – przy realizowaniu zapisów Europejskiej Polityki Trans- portowej [19, 20] i Polityki Transportowej Państwa na lata 2006–2025 [75]. Wśród najważniejszych powinny znaleźć się takie działania, jak zwiększanie udziału kolei i transportu wodnego w podziale zadań przewozowych czy rozwijanie transportu inter- i multimodalnego. Powinny być wprowadzane preferencje (podatkowe, prawne, admi- nistracyjne) dla pojazdów zasilanych alternatywnymi źródłami energii, zaś z eksploata- cji należy wyłączać pojazdy niespełniające wymogów bezpieczeństwa i/lub ochrony środowiska. Odpowiednie zarządzanie ruchem w miastach powinno obejmować wy- prowadzanie ruchu ciężkiego z obszarów najgęściej zaludnionych i jego relokację na obwodnice i miejskie trasy średnicowe. Należy również ograniczać ruch pojazdów in- dywidualnych w centrach miast, wprowadzając strefy ruchu uspokojonego, opłaty za wjazd do centrum, podnosząc opłaty za parkowanie i kładąc nacisk na rozwój systemów zarządzania ruchem oraz sprawną i punktualną komunikację publiczną połączoną z par- kingami podmiejskimi. Niezbędne są również: rozwój Europejskiej Sieci Transportowej (TEN-T), badania i rozwijanie nowoczesnych technologii konstrukcji silników i środków transportu, ograniczanie zużycia energii, zasobów naturalnych i zmniejszanie emisji zanieczyszczeń powietrza w całym cyklu życia produktów (środków transportu, podzespołów, infrastruktury transportowej). Jednocześnie powinny być rozwijane sys- temy monitorowania jakości środowiska (identyfikowanie miejsc najsilniej narażonych na niekorzystne oddziaływanie), a tam, gdzie to niezbędne zastosowane urządzenia i budowle ograniczające narażenie na hałas i zanieczyszczenia (ekrany akustyczne, tzw.

ciche nawierzchnie, wały ziemne, pasy zieleni izolacyjnej, oddzielanie terenów miesz-

kalnych od dróg i lotnisk budynkami usługowymi, rozważenie możliwości zastosowania

technologii wzbogacania nawierzchni jezdni o substancje fotokatalityczne na najbar- dziej wrażliwych obszarach).

Należy oczekiwać, że jakkolwiek dalszy rozwój transportu jest z gospodarczego punktu widzenia nieunikniony, to będzie on postępował z poszanowaniem środowiska przyrodniczego i społecznego. Musi być przemyślany i realizowany systemowo, aby zapewnił oczekiwane efekty. Mimo że transport wywiera negatywne skutki (bezpośred- nie i pośrednie) na środowisko, to do pewnego stopnia infrastruktura transportowa musi być rozwinięta, aby zapewnić możliwość bezpiecznego i sprawnego przemieszczania się ludności i towarów. W Polsce takiej infrastruktury nadal brakuje, co powoduje, że w niektórych rejonach, a zwłaszcza na obszarach miejskich, wpływ środków transportu na środowisko jest rzeczywiście duży.

Temat rozprawy doktorskiej wpisuje się w aktualność problematyki dotyczącej po-

szukiwania wpływu obciążenia środowiska przez transport drogowy i poszukiwania

rozwiązań ukierunkowanych na rozwiązania proekologiczne. Opracowanie metodyki

oceny ekologicznej pojazdów poruszających się nie tylko w terenie płaskim, ale z zróż-

nicowanych warunkach topograficznych pozwoli na rozszerzenie wiedzy na ten temat,

nie tylko pod względem zużycia paliwa, ale jednocześnie pod kątem emisji zanieczysz-

czeń gazowych i cząstek stałych.

3. Energochłonność pojazdu związana z oporami ruchu

3.1. Opory ruchu pojazdu

3.1.1. Rodzaje oporów ruchu

Poruszający się pojazd jest obiektem dynamicznym, którego parametry ruchu zależą od działania różnych sił zewnętrznych, tworzących określony układ przestrzenny. Osią- gi pojazdu – zwane właściwościami trakcyjnymi – określone są przez: prędkość mak- symalną na drodze poziomej, zdolność pokonywania wzniesienia przy stałej prędkości oraz zdolność przyspieszania na drodze poziomej. O parametrach ruchu (również o wła- ściwościach ruchowych) decyduje układ sił i wartość sił zewnętrznych działających na pojazd. W przypadku ruchu prostoliniowego siłami tymi są: opory ruchu, siła napędowa na kołach, siła hamująca na kołach oraz siła ciężkości i jej składowe równoważone re- akcjami normalnymi na kołach. Układ i wartość tych sił decyduje zarówno o właściwo- ściach ruchowych pojazdu, jak i o parametrach energetycznych jego ruchu [24, 91, 93].

Do oporów ruchu zalicza się te siły zewnętrzne, które są równoległe do kierunku ru- chu pojazdu i mają przeciwny do niego zwrot. Są to:



opór toczenia, działający na linii styku koła z nawierzchnią,



opór wzniesienia, przypisany do środka ciężkości pojazdu,



opór powietrza, działający na aerodynamiczny środek naporu, którego wysokość nad jezdnią zależy od ukształtowania bryły pojazdu,



opór bezwładności, działający na środek ciężkości pojazdu.

Opory toczenia i powietrza występują zawsze, również w ruchu opóźnionym. Ich suma stanowi opór podstawowy. Opory wzniesienia i bezwładności występują okreso- wo. Opór wzniesienia występuje tylko podczas jazdy pod górę; stanowi go równoległa do nawierzchni składowa siły ciężkości. W przypadku zjeżdżania ze wzniesienia skła- dowa ta, staje się siłą wymuszającą ruch pojazdu. Opór bezwładności występuje wy- łącznie podczas przyspieszania. Wtedy bowiem równoległa do nawierzchni siła bez- władności pojazdu jest skierowana przeciwnie do kierunku ruchu. W dalszej części roz- działu zostaną omówione rodzaje oporów ruchu wraz z analizą teoretyczną ich wartości bezwzględnych (wyrażonych w wartościach siły i mocy) tylko dla oporu toczenia, wzniesienia i powietrza, gdyż dla uproszczenia przyjęto ruch jednostajny.

3.1.2. Opór toczenia

Jedną z najistotniejszych sił wpływających na ruch każdego pojazdu, jest siła oporu

toczenia. W praktyce zależy ona od wielu czynników: Jednym z oczywistych jest stan i

rodzaj nawierzchni drogi. Kolejny czynnik wpływający na siłę oporu toczenia, stanowi

ciśnienie w ogumieniu: im jest ono większe, tym siła oporu toczenia maleje. Na siłę

oporu toczenia wpływają również inne siły – ich udział jest jednak znikomy lub poja-

wiają się one wyłącznie w pewnych okresach. Niektóre z nich związane są z konstruk-

cją i zamocowaniem kół, np. opór w łożyskach, czy opór zbieżności kół związany z

nierównoległym ustawieniem kół w stosunku do osi podłużnej pojazdu. Na opór ruchu

może wpływać również odkształcenie się opony na nierównościach drogi, lub siła po-

trzebna do przejechania przez powstałe po deszczu rozlewisko na jezdni.

Siła oporu toczenia jest wyrażona jako iloczyn składowej siły ciężkości (prostopadłej do nawierzchni – rys. 3.1) i współczynnika oporu toczenia:





Gf cos

F

(3.1)

gdzie: G = mg – siła ciężkości pojazdu, f

– współczynnik oporu toczenia,

wzdłużnego pochylenia drogi.

Rys. 3.1. Płaski układ sił działających na samochód jadący po drodze nachylonej pod kątem α

Współczynnik oporu toczenia zależy od wielu różnych czynników, a w szczególno- ści od rodzaju i konstrukcji opony, ciśnienia w ogumieniu, prędkości pojazdu, a także od rodzaju, jakości i stanu nawierzchni. Na twardej nawierzchni, niezależnie od rodzaju opon i ciśnienia w ogumieniu, współczynnik oporu toczenia zwiększa się z prędkością pojazdu, począwszy od pewnej wartości początkowej. Do prędkości rzędu 80–100 km/h przyrost ten jest stosunkowo niewielki [92], dopiero w miarę dalszego zwiększania prędkości wartość współczynnika oporu toczenia wzrasta nieliniowo. Niezależnie od postaci matematycznej wzoru empirycznego początkową wartość współczynnika przy prędkości bliskiej zeru przyjmuje się f

= 0,007–0,015 (dla asfaltu). W obliczeniach przyjęto f

= 0,015.

Według [85] wartość współczynnika oporu toczenia wyraża się wzorem:

 





0

t f 1 0,0216v

f  

(3.2)

gdzie: f

– początkowa wartość współczynnika przy prędkości bliskiej zeru, v – pręd- kość pojazdu.

Współczynnik oporu toczenia wyraża także straty energii związane z odkształceniem opony oraz współpracą bieżnika z nawierzchnią drogi. Podczas jazdy po nawierzchni utwardzonej opór toczenia:



zwiększa się wraz ze wzrostem ugięcia opony, które jest tym większe im mniejsze jest ciśnienie w kole,



zwiększa się wraz ze zwiększaniem prędkości jazdy,



zwiększa się przy przekazywaniu dużego momentu napędowego (zwiększają się obwodowe odkształcenia opony),



zmniejsza się przy zmniejszaniu wysokości występów bieżnika.



F

F

F

F

G

F

F

Z

F

Z

3. Energochłonność pojazdu związana z oporami ruchu 26

Obecność śniegu, błota i piasku na jezdni powoduje znaczne zwiększenie oporu to- czenia.

Pochylenie poziome drogi (lub nachylenie trasy) oznacza w transporcie drogowym lub kolejowym różnicę wysokości między dwoma punktami drogi kołowej lub linii ko- lejowej odniesioną do odległości dzielącej te punkty (rys. 3.2).

Rys. 3.2. Wielkości opisujące pochylenie poziome trasy

Istnieją dwa podstawowe sposoby opisu nachylenia poziomego trasy:

1) przez podanie kąta α nachylenia trasy do poziomu,

2) przez podanie w procentach (w przypadku tras kolejowych zwykle w promilach) stosunku zmiany wysokości bezwzględnej trasy do jej długości.

Istnieją dwie definicje matematyczne, w zależności od których podana wartość jest sinusem bądź tangensem kąta nachylenia trasy: stosunek zmiany wysokości Δh, mie- rzonej w dwóch punktach trasy, do odległości między nimi l, mierzonej wzdłuż trasy, jest sinusem tego kąta sin(α) = Δh/l. Stosunek zmiany wysokości Δh, mierzonej w dwóch punktach trasy, do odległości między nimi, d, mierzonej w poziomie, jest tan- gensem tego kąta tg(α) = Δh/d.

Różnica między dwoma alternatywnymi metodami pomiaru jest niewielka, jako że typowe trasy transportowe są nachylone nie więcej niż 20°, a dla tak małych kątów róż- nica sinusa i tangensa jest niewielka (tab. 3.1). Z tego powodu, prawie nigdy podając pochylenie trasy, nie zaznacza się, w jaki sposób zostało wyliczone (najczęściej jest tangensem). W dalszej części opracowania pochylenie drogi będzie oznaczane jako A [%] i wyrażone jako tangens kąta w procentach.

Tablica 3.1. Wartości kąta (nachylenia drogi (A) i odpowiadające im wartości procentowe

 A [%], tg  sin 

0° 0% 0%

5° 9% 9%

10° 18% 17%

30° 58% 50%

45° 100% 71%

60° 173% 87%

90° ∞ 100%

W dalszej części pracy rozpatrywane będą opory ruchu dla dwóch pojazdów:

a) Fiata Freemont z silnikiem ZI, o objętości skokowej 3,6 dm

, mocy maksymalnej 206 kW i masie pojazdu 1880 kg (z kierowcą 1960 kg) z napędem na obie osie,



l

d

h

b) Fiata Freemont z silnikiem ZS, o objętości skokowej 2,0 dm

, mocy maksymalnej 125 kW i masie pojazdu 1940 kg (z kierowcą 2020 kg) z napędem na jedną oś.

Jest to podyktowane tym, że ocena wpływu topografii terenu na emisję zanieczysz- czeń będzie przeprowadzona dla takich właśnie pojazdów, ale z uwagi na znaczne po- dobieństwo uzyskiwanych danych (niewielka różnica w masie pojazdów wynosząca 3%), zależności w części analizy teoretycznej zostaną przedstawione tylko dla pojazdu z napędem na 4 koła.

Z porównania uzyskanych wykresów na rysunku 3.3 wynika, że na opory toczenia ma wpływ masa pojazdu (zgodnie ze wzorem 3.1); siła oporów toczenia maleje przy wzroście kąta pochylenia drogi (gdyż zmniejsza się wartość kosinusa nachylenia drogi;

maksymalna jego wartość jest dla powierzchni poziomej). Przy wzroście pochylenia drogi do 30% różnica siły oporów toczenia pojazdów wynosi około 3% (względna war- tość jest stała niezależnie od prędkości jazdy pojazdu i jego masy).

Rozważając moc oporów toczenia, tzn. iloczynu siły i prędkości pojazdu (rys. 3.4) zauważa się również podobną zależność do uzyskanej na rys. 3.2 – różnica wartości względnych wynosi również 3,4%.

Rys. 3.3. Charakterystyka siły oporów toczenia w zależności od pochylenia drogi dla pojazdu z silnikiem ZI

Rys. 3.4. Charakterystyka mocy oporów toczenia w zależności od pochylenia drogi dla pojazdu z silnikiem ZI

0 100 200 300 400 500 600 700

0 50 100 150 200

Ft[N]

V [km/h]

0% 10% 20% 30%

ZI, 4 x 4 m = 1960 kg

3%

0 5 10 15 20 25 30

0 50 100 150 200

Nt[kW]

V [km/h]

0% 10% 20% 30%

ZI, 4 x 4 m = 1960 kg

3. Energochłonność pojazdu związana z oporami ruchu 28

3.1.3. Opór wzniesienia

Podczas jazdy pod górę na stromych odcinkach drogi, pojazd pokonuje dodatkowo opór wzniesienia. Siła oporów drogi jest zależna od ciężaru pojazdu i współczynnika oporu drogi. Na drogach, w zależności od ich rodzaju, określa się dopuszczalne mak- symalne stopnie nachylenia. Na drogach lokalnych możliwe jest występowanie nachy- lenia o h = 10%. Z kolei na drogach szybkiego ruchu dopuszczalne h może wynosić już tylko 5%, a na autostradach 4%. Wyjątek stanowią wysokie wzniesienia na lokal- nych drogach górskich, gdzie wysokość wzniesienia

kilkudziesięciu procent.

Siła oporu wzniesienia (F

na rys. 3.1) jest składową siły ciężkości, równoległą do nawierzchni drogi i skierowaną w kierunku przeciwnym do ruchu pojazdu:





G sin

F

(3.3)

Jeżeli kąt a nachylenia drogi podczas wjazdu na wzniesienie jest traktowany jako dodatni, to podczas zjazdu jest traktowany jako ujemny.

Podobnie, jak dla siły oporów toczenia, również dla siły oporu wzniesienia wyzna- czono wartości dla dwóch pojazdów, których dane podano poprzednio. Z porównania uzyskanych wykresów na rysunku 3.5 wynika, że na opory wzniesienia głównie ma wpływ masa pojazdu, gdyż zależność od prędkości nie występuje. Na rysunku 3.6 przedstawiono moc oporów wzniesienia dla każdego pojazdu, a na kolejnych wykresach sumę wyznaczonych mocy oporów. Z porównania wynika, że moc oporów wzniesienia jest około 10-krotnie większa niż moc oporów toczenia przy tej samej prędkości poru- szającego się pojazdu oraz dla 30-procentowego nachylenia wzdłużnego drogi (rys.

3.7). Przykładowo: dla prędkości 150 km/h i 30-procentowego nachylenia drogi moc oporów toczenia to 22 kW, a moc oporów wzniesienia osiąga dla tych samych warun- ków 190 kW – czyli moc oporów wzniesienia jest 8,6 razy większa od mocy oporów toczenia.

Rys. 3.5. Charakterystyka siły oporów wzniesienia w zależności od pochylenia drogi dla pojaz- du z silnikiem ZI

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 50 100 150 200

Fw[N]

V [km/h]

0% 10% 20% 30%

ZI, 4 x 4 m = 1960 kg