Wpływ stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję substancji ...

- 1 -

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

WYDZIAŁ MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU

PRACA DOKTORSKA

mgr inż. Maciej Andrzejewski

WPŁYW STYLU JAZDY KIEROWCY NA ZUŻYCIE

PALIWA I EMISJĘ SUBSTANCJI SZKODLIWYCH

W SPALINACH

Promotor:

prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz

Praca naukowa finansowana przez Narodowe Centrum

Nauki w latach 20112013 w ramach projektu

badawczego promotorskiego nr N N509 562340

Poznań 2013

- 2 -

Spis treści

Streszczenie .................................................................................................................... 4

Abstract .......................................................................................................................... 4

Spis skrótów i oznaczeń ................................................................................................ 6

1. Wstęp ...................................................................................................................... 9

2. Sposoby zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w spalinach

pojazdów samochodowych .................................................................................. 13

2.1. Silnikowe i pozasilnikowe układy oczyszczania spalin ............................... 13

2.2. Zmiany konstrukcyjne jednostek napędowych ............................................ 19

2.3. Napędy alternatywne .................................................................................... 24

2.4. Sposób eksploatacji pojazdu ........................................................................ 32

3. Cel, teza i zakres pracy ........................................................................................ 41

4. Kryteria oceny stylu jazdy kierowcy .................................................................. 46

4.1. Wykorzystanie danych z pokładowych rejestratorów parametrów

ruchu pojazdów ............................................................................................ 46

4.2. Zdefiniowanie stylów jazdy kierowcy ......................................................... 48

5. Metodyka badań .................................................................................................. 50

5.1. Obiekty badań .............................................................................................. 50

5.2. Aparatura do pomiarów zużycia paliwa i emisji substancji szkodliwych

w spalinach ................................................................................................... 56

5.3. Harmonogram badań .................................................................................... 63

5.4. Niepewność pomiarowa ............................................................................... 66

6. Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu – badania w rzeczywistych

warunkach ruchu ................................................................................................. 70

6.1. Wpływ sposobu rozpędzania pojazdu na emisję substancji szkodliwych

i zużycie paliwa ............................................................................................ 70

6.1.1. Dynamika przyspieszania pojazdem ................................................ 70

6.1.2. Rozpędzanie pojazdu z zastosowaniem różnej liczby biegów ......... 83

6.2. Wpływ prędkości obrotowej silnika na emisję spalin i zużycie paliwa ....... 94

6.3. Wpływ sposobu hamowania pojazdem na emisję spalin i zużycie paliwa 103

7. Wpływ stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję spalin

w warunkach ruchu drogowego ....................................................................... 117

7.1. Badania drogowe pojazdów lekkich .......................................................... 117

7.2. Badania drogowe pojazdów ciężkich ......................................................... 134

8. Propozycja zaleceń dotyczących sposobu jazdy z uwzględnieniem

wyników pracy ................................................................................................... 138

- 3 -

9. Zakończenie ........................................................................................................ 140

9.1. Wnioski ...................................................................................................... 140

9.2. Kierunki dalszych prac ............................................................................... 144

Literatura .................................................................................................................. 145

- 4 -

Streszczenie

Przedmiotem niniejszej pracy była analiza wpływu stylu jazdy kierowcy na emisję

spalin i zużycie paliwa przez pojazd samochodowy. Wykonano ją na podstawie

pomiarów toksyczności spalin, przeprowadzonych przy użyciu mobilnej aparatury

badawczej, w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdów. Środkiem realizacji

pracy była szczegółowa ocena wybranych zasad eco-drivingu.

Dążeniem autora było określenie oddziaływania zachowania kierowcy na

środowisko naturalne człowieka oraz wskazanie wpływu stosowanego przez niego

sposobu jazdy na ekologiczne i energetyczne aspekty eksploatacji pojazdu w różnych

warunkach ruchu drogowego. Dlatego też w ramach pracy wykonano badania drogowe

pojazdów: osobowych, dostawczych i ciężarowych. Pojazdy te badano na trasach

o różnej długości i charakterystyce. W przeważającej części pomiary toksyczności

spalin wykonywano w ruchu miejskim.

Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano, że stosowanie zasad jazdy

ekologicznej i ekonomicznej przez prowadzącego pojazd samochodowy, powoduje

znaczące zmniejszenie zawartości tlenku węgla, dwutlenku węgla, węglowodorów,

tlenków azotu oraz cząstek stałych w spalinach. Ponadto stwierdzono, że zmniejszenie

emisji spalin, a przy tym i przebiegowego zużycia paliwa przez pojazd, w wyniku

stosowania zasad eco-drivingu, jest dostrzegalne zwłaszcza w warunkach jazdy

miejskiej (przy występowaniu dużego natężenia ruchu, częstego przyspieszania

i hamowania oraz postoju). Efektem było również podanie zasad dotyczących sposobu

jazdy i uzyskiwania wymiernych efektów zmniejszenia emisji spalin i zużycia paliwa.

Abstract

The influence of the driving style on the fuel consumption

and exhaust emissions

The subject of this dissertation was to analyze the impact of the driving style on

the exhaust emissions and fuel consumption of the motor vehicle. It was done by

measuring the toxicity of exhaust gases under real operating conditions of vehicles, by

using the mobile research equipment. The means, which allowed to explore the

problem, was a detailed evaluation of selected principles of eco-driving.

An author’s aspiration was to determine the impact of driver behavior on the

environment and to indication of the impact of his driving style on the environmental

and energy aspects of the vehicle exploitation in various traffic conditions. Therefore

under the dissertation a series of road tests of vehicles was done. The vehicles belonged

to three types: passenger cars, light duty and heavy duty vehicles. These vehicles were

tested on routes of different lengths and characteristics. For the most part the exhaust

emissions measurements were carried out in urban traffic.

- 5 -

The studies have shown that the use by the driver the eco-driving principles

causes a significant reduction in carbon monoxide, carbon dioxide, hydrocarbons,

nitrogen oxides and particulate matter concentration in the exhaust. It was also found

that the reduction of exhaust emissions and fuel consumption, as a result of application

of the eco-driving principles, is visible especially in urban driving conditions – heavy

traffic and frequent acceleration, braking and layover. The result was also the

presentation of the rules on driving style and obtaining measurable effects to reduce

exhaust emissions and fuel consumption.

- 6 -

Spis skrótów i oznaczeń

α poziom istotności

a przyspieszenie (pojazdu) [m/s2]

aśr przyspieszenie średnie (tylko dodatnie) [m/s2]

ACEA European Automobile Manufacturers’ Association – europejskie

stowarzyszenie producentów pojazdów

APU Auxiliary Power Unit – tzw. pomocnicza jednostka mocy (dodatkowe źródło

energii)

ATMS Advanced Traffic Management System – zaawansowany system zarządzania

ruchem drogowym

BRT Bus Rapid Transit – system szybkiej komunikacji autobusowej

CAN Controller Area Network – szeregowa magistrala komunikacyjna

CARB California Air Resources Board – kalifornijski Urząd Ochrony Środowiska

CNG Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny

CO tlenek węgla

CO2 dwutlenek węgla

CRT Continuous Regeneration Trap – układ oczyszczania spalin firmy HJS

Emission Technology, przeznaczony do pojazdów ciężarowych

DeNOx zaawansowany reaktor katalityczny wiążący i redukujący tlenki azotu

dmc dopuszczalna masa całkowita pojazdu

DOC Diesel Oxidation Catalyst – utleniający reaktor katalityczny dla silnika ZS

DPF Diesel Particulate Filter – filtr cząstek stałych

DR Dilution Ratio – stopień rozcieńczenia spalin

ECU Electronic Control Unit – elektroniczna jednostka sterująca pracą silnika

spalinowego

EEV Enhanced Environmentally-friendly Vehicle – pojazd przyjazny środowisku

EGR Exhaust Gas Recirculation – system recyrkulacji gazów spalinowych

EOBD European On-Board Diagnostics – europejski odpowiednik amerykańskiego

systemu diagnostyki pokładowej pojazdu OBD

EPA Environmental Protection Agency – urząd ochrony środowiska, działający na

terenie Stanów Zjednoczonych

ESC European Stationary Cycle – homologacyjny europejski test statyczny

wykonywany na hamowni silnikowej (dla pojazdów ciężkich)

ETC European Transient Cycle – homologacyjny europejski test dynamiczny

wykonywany na hamowni silnikowej (dla pojazdów ciężkich)

FAME Fatty Acid Methyl Esters – estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów

roślinnych

FID Flame Ionization Detector – analizator płomieniowo-jonizacyjny

GHG Greenhouse Gases – gazy cieplarniane

GPS Global Positioning System – system nawigacji satelitarnej

GSM Global System for Mobile communications – standard telefonii komórkowej

HC węglowodory

- 7 -

HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition – silnik z systemem spalania

mieszanki jednorodnej

HDD Heavy Duty Diesel – silnik ZS o dużej objętości skokowej

HDV Heavy Duty Vehicle – pojazd ciężki

HDV1 obiekt badań – samochód ciężarowy nr 1

HDV2 obiekt badań – samochód ciężarowy nr 2

HDV3 obiekt badań – zestaw drogowy (ciągnik siodłowy i naczepa)

ITS Intelligent Transportation Systems – inteligentne systemy transportowe

Iagr indeks agresywności jazdy

k liczba stopni swobody, równa liczbie pomiarów n pomniejszonej o 1

LDV Light Duty Vehicle – lekki pojazd użytkowy

LDV1 obiekt badań – samochód dostawczy nr 1, wyposażony w silnik ZS

LDV2 obiekt badań – samochód dostawczy nr 2, wyposażony w silnik ZS

LDV3 obiekt badań – samochód dostawczy nr 3, wyposażony w silnik ZS

LDV4 obiekt badań – samochód dostawczy nr 4, wyposażony w silnik ZS

MPI Multi Point Injection – system wtrysku wielopunktowego

n liczba wykonanych pomiarów

NCN Narodowe Centrum Nauki

NDIR Non-Dispersive InfraRed – analizator niedyspersyjny na podczerwień

NDUV Non-Dispersive UltraViolet – analizator niedyspersyjny na promieniowanie

ultrafioletowe

NEDC New European Driving Cycle – homologacyjny europejski test jezdny

wykonywany na hamowni podwoziowej

NO tlenek azotu

NO2 dwutlenek azotu

NOx tlenki azotu

OBD On-Board Diagnostics – amerykański system diagnostyki pokładowej pojazdu

PASS Photo Acoustic Soot Sensor – czujnik fotoakustyczny do określania stężenia

cząstek stałych w spalinach

PC Passenger Car – samochód osobowy

PC1 obiekt badań – samochód osobowy nr 1, wyposażony w silnik ZI

PC2 obiekt badań – samochód osobowy nr 2, wyposażony w silnik ZS

PC3 obiekt badań – samochód osobowy nr 3, wyposażony w silnik ZI

PC4 obiekt badań – samochód osobowy nr 4, wyposażony w silnik ZS

PC5 obiekt badań – samochód osobowy nr 5, wyposażony w silnik ZI

PDE Pumpe Düse Einheit – pompowtryskiwacz

PEMS Portable Emissions Measurement System – aparatura mobilna do badań

toksyczności spalin

PM Particulate Matter – cząstki stałe

Q wartość przebiegowego zużycia paliwa [dm3/100 km]

RME Rapeseed Methyl Esters – estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju

rzepakowego

s(x) odchylenie standardowe z próbki (niepewność przypadkowa pojedynczego

pomiaru)

- 8 -

SAE Society of Automotive Engineers – Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacji

SCR Selective Catalytic Reduction – system selektywnej redukcji katalitycznej

SMF Sintered Metal Filter – filtr cząstek stałych, wykonany ze spieków metali

t zmienna losowa w rozkładzie Studenta

t1b udział czasu jazdy na pierwszym biegu [%]

t2b udział czasu jazdy na drugim biegu [%]

t>1850 udział czasu pracy silnika z prędkością obrotową ponad 1850 obr/min [%]

t>2000 udział czasu pracy silnika z prędkością obrotową ponad 2000 obr/min [%]

dokładność pomiaru

TWC Three Way Catalyst – trójfunkcyjny reaktor katalityczny dla silnika ZI

u(x) niepewność standardowa (odchylenie standardowe średnich arytmetycznych)

V prędkość (jazdy) [m/s], [km/h]

Vss objętość skokowa silnika [dm3]

VCR Variable Compression Ratio – zmienny stopień sprężania silnika spalinowego

VGT Variable Geometry Turbocharger – turbosprężarka o zmiennej geometrii

łopatek

VVT Variable Valve Timing – system zmiennych faz rozrządu

VVTL Variable Valve Timing and Lift – system zmiennych faz rozrządu

WHTC World Harmonized Transient Cycle – test dynamiczny dla pojazdów ciężkich

obowiązujący od normy Euro VI

xi wartość otrzymana w i-tym pomiarze

xd dolna granica przedziału ufności dla wartości średniej

xg górna granica przedziału ufności dla wartości średniej

XPI eXtra-high Pressure Injection – nowoczesny układ wtrysku paliwa firmy

Scania

ZI silnik spalinowy o zapłonie iskrowym

ZS silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym

λ współczynnik nadmiaru powietrza []

±𝑡𝛼 ,𝑘 ∙ 𝑠(𝑥 )

- 9 -

1. Wstęp

W ostatnich latach obserwuje się znaczący wzrost liczby pojazdów

samochodowych na świecie, głównie w krajach rozwijających się (rys. 1.1). Wzrost

gospodarczy w tych krajach powoduje wzrost zamożności ich mieszkańców, co

przekłada się na coraz częstsze posiadanie przez wspólnoty rodzinne więcej niż jednego

samochodu. Rynek motoryzacyjny staje się więc coraz większy, a każdy z koncernów

motoryzacyjnych stara się mieć na nim jak największy udział (konieczność ciągłego

rozwoju produkcji).

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1980 1990 2000 2010 2020 2030

Licz

ba

po

jazd

ów

[mln

szt

uk]

Licz

ba

lud

no

ści [

mld

]

Rok

Liczba ludności

Liczba pojazdów

Rys. 1.1. Prognozowany światowy wzrost liczby pojazdów na tle liczby ludności [78]

Jednym z ważniejszych czynników warunkujących charakter rozwoju techniki

motoryzacyjnej w kilku najbliższych dziesięcioleciach, będzie świadomość, że bez

ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin dość szybko może dojść do

katastrofalnego zanieczyszczenia środowiska. Aby temu zapobiec, światowi

ustawodawcy (w Europie Komisja Europejska) wprowadzają w życie coraz bardziej

rygorystyczne normy emisji substancji szkodliwych z pojazdów [55, 56, 58, 85, 86].

Ograniczenia te mają na celu poprawę jakości powietrza, szczególnie w strefach

o dużym natężeniu ruchu drogowego, oraz zmniejszenie uzależnienia motoryzacji od

paliw kopalnych. Producenci pojazdów, chcąc spełnić coraz „ostrzejsze” normy

czystości spalin, niestety są często zmuszeni do stosowania innowacyjnych, drogich

rozwiązań.

Najbardziej istotne znaczenie w aspekcie ekologicznych skutków eksploatacji

pojazdów ma emisja związków toksycznych z pojazdów ciężarowych (użytkowych),

zwłaszcza tych poruszających się po zatłoczonych centrach miast (głównie autobusy

miejskie, pojazdy komunalne i dystrybucyjne), gdzie w bliskim ich otoczeniu porusza

się duża liczba osób – m.in. piesi i rowerzyści. Pojazdy ciężarowe odgrywają jednak

kluczową rolę w transporcie osób i ładunków. Obecnie w Polsce (rys. 1.2) i na świecie

eksploatowanych jest wiele typów takich pojazdów o różnej ładowności, ograniczonej

dopuszczalną masą całkowitą (dmc).

- 10 -

0

500 000

1 000 000

1 500 000

2 000 000

2 500 000

3 000 000

3 500 000

1995 2000 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Licz

ba

po

jazd

ów

[szt

]

Rok

Rys. 1.2. Liczba pojazdów ciężarowych poruszających się

po polskich drogach w latach 1995–2010 [96]

Transport samochodowy odgrywa znaczącą rolę w rozwoju światowej

gospodarki. Jest on jednak odpowiedzialny za 20–25 % światowej emisji dwutlenku

węgla (z emisją CO2 bezpośrednio związane jest zużycie paliwa przez pojazdy).

Według danych pochodzących z Ministerstwa Ochrony Środowiska, w roku 2002

transport samochodowy w kraju wytwarzał 29,5 mln kg CO2 i zjawisko to wykazuje

tendencję wzrostową. Eksploatowane samochody przyczyniają się do zanieczyszczenia

atmosfery w około 30 %, a w dużych miastach nawet w 90 %. Szacuje się również, że

pojazdy silnikowe są odpowiedzialne za emisję około 12 % gazów cieplarnianych

(GHG – Greenhouse Gases) w Europie [92]. Zatem wszelkie działania, polegające na

ograniczeniu skali tego zjawiska są uzasadnione.

Unia Europejska (UE) od wielu już lat podejmuje kroki związane z ograniczaniem

dopuszczalnej emisji dwutlenku węgla przez pojazdy samochodowe. Dzięki określeniu

rygorystycznych norm „zmuszono” przemysł motoryzacyjny do produkcji pojazdów

ekonomicznych i bardziej przyjaznych środowisku (rys. 1.3 i 1.4). Przykładowo, emisja

drogowa CO2 o wartości 130 g/km oznacza przebiegowe zużycie paliwa ok. 5,1

dm3/100 km, a o wartości 95 g/km już tylko 3,7 dm

3/100 km [12]. Sprostanie

wprowadzeniu kolejnych planowanych ograniczeń odnośnie do emisji drogowej

dwutlenku węgla jest – zdaniem Komisji Europejskiej – możliwe dzięki nowym

konstrukcjom silników, nowym technologiom ogumienia, klimatyzacji oraz

zastosowaniu tzw. biopaliw.

Niemieccy producenci, specjalizujący się w produkcji dużych pojazdów

proponowali, by większa masa samochodu pozwalała na dużo większy limit emisji CO2.

Inny pogląd prezentowały koncerny włoskie i francuskie – jak najmniejsze

„odchylenia” od przyjętego limitu i znaczące kary za jego przekroczenie (przekroczenie

limitu emisji w 2012 r. kosztowało 35 euro za każdy 1 g nadmiarowej emisji CO2 od

każdego samochodu; w 2015 r. kara będzie wynosiła 95 euro) [14, 80]. Ostatecznie

Komisja zaproponowała, aby nowy limit emisji drogowej dwutlenku węgla był tylko

uśrednioną wartością dla całej floty pojazdów danego producenta (rys. 1.5). Stąd

między innymi pojawił się trend związany z łączeniem się koncernów motoryzacyjnych

w grupy producenckie oraz z posiadaniem w ofercie przez takich producentów, jak np.

Daimler czy BMW, pojazdów małych (odpowiednio: Smart i Mini).

- 11 -

Współcześnie dąży się nie tylko do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla

w spalinach pojazdów, ale do jej zmniejszenia na całej tzw. drodze od źródła do koła –

from well to wheel. W tej kwestii, oprócz uregulowań prawnych, istotną rolę odgrywają

też dobrowolne zobowiązania do ograniczania emisji CO2 i zużycia paliwa samych

producentów pojazdów, np. zrzeszonych w ACEA (European Automobile

Manufacturers’ Association) – europejskim stowarzyszeniu producentów pojazdów.

C

O2

[g/k

m]

plan na 2015 rok

plan na 2020 rok

Rys. 1.3. Emisja drogowa dwutlenku węgla z nowych samochodów

osobowych eksploatowanych w Europie [15, 19]

Redukcja emisji CO2

Koszt realizacji

Ws

ka

źn

ik

zm

ian

y b

ieg

ów

Ob

niż

en

ie o

po

rów

ae

rod

yn

am

iczn

yc

h

i to

cze

nia

Op

tym

ali

za

cja

uk

ład

u

prz

en

ies

ien

ia n

ap

ęd

u

Od

zys

k e

ne

rgii

po

dc

za

s h

am

ow

an

ia

Za

rzą

dza

nie

prz

ep

ływ

em

cie

pła

Zm

ien

ne

uk

ład

y

po

mo

cn

icze

Sys

tem

sta

rt-s

top

Be

zp

oś

red

ni w

trys

k

be

nzyn

y I

I g

en

era

cji

(HP

I)

Mil

dh

yb

rid

Fu

llh

yb

rid

Rys. 1.4. Analiza zysk-koszt różnych rozwiązań zmniejszających emisję

dwutlenku węgla w samochodach firmy BMW [24]

Wśród możliwości zmniejszenia zużycia paliwa przez współczesne pojazdy

wyróżnić można m.in. [63]:

‒ zastosowanie silnika ZS (30 %),

‒ hybrydyzacja napędu (5‒30 %),

‒ dezaktywacja cylindrów (6‒20 %),

‒ zmienne fazy rozrządu (5‒20 %),

- 12 -

‒ spalanie mieszanek homogenicznych (15 %),

‒ optymalizacja przekładni (do 15 %),

‒ silnik ZI, wtrysk bezpośredni (4‒10 %),

‒ zmienny stopień sprężania (9 %),

‒ downsizing (6 %).

Rys. 1.5. Średnia emisja drogowa dwutlenku węgla

dla floty pojazdów danego producenta [87]

Mimo ciągle prowadzonych prac nad rozwojem silników spalinowych, zasilanych

innym rodzajem paliwa niż benzyna czy olej napędowy, klasyczne silniki są nadal

podstawowym źródłem napędu pojazdów. Konstruktorzy silników i pojazdów rozwijają

obecnie kilka metod konstrukcyjno-technologicznych pozwalających na znaczne

zmniejszenie emisji substancji szkodliwych w spalinach i poprawę sprawności układu

napędowego (uzyskania mniejszego zapotrzebowania na energię). Prace prowadzone

w wielu ośrodkach badawczych i badawczo-rozwojowych, dotyczące ww. parametrów,

mają związek zarówno ze zmianami konstrukcyjnymi w samych silnikach, jak i ze

zmianami w pozostałych podzespołach lub układach pojazdów. Jedną z metod, za

pomocą której możliwe jest zrealizowanie określonego celu, jest również propagowanie

zasad związanych z oszczędnym (ekologicznym) sposobem eksploatacji pojazdów –

tzw. eco-driving.

Niniejsza rozprawa doktorska powstała w wyniku przeprowadzonych badań, które

sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki (NCN) – projekt badawczy

promotorski nr N N509 562340. Przedmiotowy projekt dotyczył oceny wpływu stylu

jazdy kierowcy, określanego jako eco-driving, na zużycie paliwa i emisję substancji

szkodliwych w spalinach.

- 13 -

2. Sposoby zmniejszenia emisji substancji szkodliwych

w spalinach pojazdów samochodowych

2.1. Silnikowe i pozasilnikowe układy oczyszczania spalin

Ze światowym rozwojem motoryzacji, zwłaszcza tym dynamicznym,

obserwowanym w przypadku Chin i Indii, nieuchronnie związany jest wzrost zużycia

paliw kopalnych. W wyniku reakcji utleniania paliwa (spalania) oprócz energii cieplnej

powstaje również wiele substancji, także tych szkodliwych dla środowiska naturalnego.

Najbardziej znaczącymi wśród nich są: tlenek i dwutlenek węgla, węglowodory, tlenki

azotu oraz cząstki stałe. Aby zminimalizować udział tych substancji w spalinach

emitowanych przez silnik należy ciągle (bo przepisy dotyczące emisji spalin są obecnie

w szybkim tempie zmieniane i zaostrzane) pracować nad nowoczesnymi układami

oczyszczania spalin [66]. Wymagane jest stosowanie coraz doskonalszych oraz

efektywniejszych konstrukcji, które zapewnią maksymalne zmniejszenie ilości

zanieczyszczeń emitowanych z gazami wylotowymi.

Współcześnie ograniczenie emisji szkodliwych produktów niezupełnego

i niecałkowitego spalania paliwa w silnikach spalinowych zasadniczo może być

osiągnięte przez realizację dwóch grup przedsięwzięć. Przedsięwzięcia te można

określić jako [62]:

1) pierwotne (tzw. wewnątrzsilnikowe), które polegają na wprowadzeniu

odpowiednich zmian konstrukcyjnych lub regulacyjnych w podzespołach

i układach silnika, powodujących, że spaliny opuszczające cylindry zawierają

mniej substancji szkodliwych. W zakres przedsięwzięć pierwotnych mogą

wchodzić m.in.:

– optymalizacja faz rozrządu,

– optymalizacja strategii wtrysku (wtrysk wielofazowy, wysokociśnieniowy, itp.),

– recyrkulacja spalin,

– optymalny dobór stopnia sprężania,

– poprawa napełniania cylindrów,

– doskonalenie kształtu komory spalania,

– zawirowanie ładunku w komorze spalania oraz lepsze przygotowanie mieszanki

palnej,

– dobór poziomu temperatury wewnątrz cylindra,

– metoda wyłączania z pracy wybranych cylindrów.

2) wtórne (tzw. pozasilnikowe), w ramach których, w układzie wylotowym silnika

instaluje się specjalne systemy oczyszczania spalin, np.:

– reaktory katalityczne utleniające,

– reaktory katalityczne trójfunkcyjne z regulacją stosunku nadmiaru powietrza

(czujnik tlenu) w układzie sprzężenia zwrotnego,

– układy selektywnej redukcji katalitycznej,

– filtry cząstek stałych.

- 14 -

W zakres przedsięwzięć wtórnych wchodzą również: podgrzewanie reaktorów

katalitycznych w fazie rozruchowej, izolacja układów wylotowych, doprowadzanie

powietrza wtórnego do dopalania.

Obecnie w różnych ośrodkach badawczych i badawczo-rozwojowych (B+R) na

świecie prowadzi się intensywne prace nad wieloma z przedsięwzięć pierwotnych,

w celu uzyskania najlepszych efektów w zakresie poprawy ekologiczności silników

spalinowych. Dzięki temu poziom emisji substancji szkodliwych jest obniżany do

poziomu, który pozwala wraz z przedsięwzięciami wtórnymi na spełnienie

restrykcyjnych norm emisji spalin.

Zagadnienie ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin zostało do tej

pory w zasadzie w sposób kompleksowy i zadowalający rozwiązane jedynie dla

silników spalinowych o zapłonie iskrowym (w dalszej części pracy będzie skrócony

zapis: silniki ZI). Nastąpiło to dzięki zastosowaniu w układach wylotowych

trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych (TWC – Three Way Catalyst). W przypadku

silników ZI o bezpośrednim wtrysku paliwa, montowanie jako układu oczyszczania

spalin wyłącznie reaktora TWC staje się powoli niewystarczające, aby sprostać

wymaganiom współczesnych norm emisyjnych [66]. Konieczne jest więc łączenie go

z innymi dodatkowymi układami, co niestety powoduje wzrost kosztów produkcji

całego pojazdu.

W związku z inną specyfiką oraz odmiennymi parametrami pracy (w tym

zmienną wartością współczynnika nadmiaru powietrza λ i inną strukturą wydzielanych

substancji szkodliwych) silników o zapłonie samoczynnym (ZS), nie można w nich

bezpośrednio zastosować reaktorów działających na tej samej zasadzie, co reaktory

trójfunkcyjne w silnikach ZI. Zmniejszenie emisji substancji toksycznych z silników ZS

jest więc jednym z ważniejszych zagadnień, którymi zajmuje się wiele podmiotów

z branży motoryzacyjnej. Sprzedawane na rynku europejskim, na przestrzeni ostatnich

lat, samochody osobowe napędzane silnikami o zapłonie samoczynnym często

wyposażano w utleniające reaktory katalityczne (DOC – Diesel Oxidation Catalyst).

Tego rodzaju reaktory montowano także w niektórych układach wylotowych silników

typu HDD (Heavy Duty Diesel), służących m.in. do napędu samochodów ciężarowych.

W typowych utleniających reaktorach katalitycznych następuje dopalanie

produktów niezupełnego spalania (tlenku węgla i węglowodorów) oraz frakcji

organicznej cząstek stałych (jedynie częściowo). Natomiast w celu zmniejszenia emisji

tlenków azotu oraz cząstek stałych (jako całości – frakcja organiczna i nieorganiczna)

stosowane są odrębne przedsięwzięcia, takie jak selektywna redukcja katalityczna SCR

(Selective Catalytic Reduction) oraz filtr cząstek stałych DPF (Diesel Particulate

Filter).

Parametry procesu spalania w silniku ZS mogą być optymalizowane albo pod

kątem minimalizacji emisji PM albo NOx. Jeśli regulacja jednostki napędowej jest

zorientowana na uzyskanie małej zawartości tlenków azotu w spalinach (np. przez

zastosowanie układu EGR – Exhaust Gas Recirculation), wówczas niezbędne jest

zainstalowanie filtra cząstek stałych w układzie wylotowym. Natomiast, gdy

optymalizacja parametrów procesu spalania jest ukierunkowana na osiągnięcie małego

poziomu emisji PM, wówczas w celu zmniejszenia emisji NOx stosuje się najczęściej

- 15 -

układ selektywnej redukcji katalitycznej SCR. Oba wymienione sposoby umożliwiają

spełnienie norm emisji spalin Euro V oraz EEV (Enhanced Environmentally-friendly

Vehicle). Aby jednak osiągnąć wymagane aktualną normą Euro VI poziomy emisji

tlenków azotu i cząstek stałych, należy stosować kombinację tych dwóch sposobów.

Przykładowy, rozbudowany układ oczyszczania spalin, będący połączeniem

opisywanych technik zmniejszających ilość NOx i PM w spalinach, zaprezentowano na

rysunku 2.1.

Rys. 2.1. Silnik firmy Scania (Euro VI) z zaawansowanym układem oczyszczania spalin [34]

Technologia BlueTec koncernu Daimler jest przykładem zastosowania opisanych

wcześniej metod ograniczania emisji tlenków azotu i cząstek stałych w samochodach

osobowych. Została ona zaprezentowana przez Daimlera na rynku amerykańskim

w roku 2006. W rzeczywistości nie chodziło o jedno konkretne rozwiązanie techniczne,

a raczej o jeden efekt: zapewnienie zgodności z istniejącymi w Stanach Zjednoczonych,

wymagającymi normami w zakresie czystości spalin (według przepisów EPA –

Environmental Protection Agency lub CARB – California Air Resources Board).

Wyróżnić można dwa systemy BlueTec. Pierwszy, to stosowane powszechnie

w wielu pojazdach użytkowych dawkowanie do układu wylotowego silnika preparatu

mocznikowego, który uwalniając w wysokiej temperaturze amoniak, umożliwia pracę

reaktora SCR. Reaktor ten rozkłada znaczną część tlenków azotu, zawartych

w spalinach. Na cały układ oczyszczania spalin w systemie BlueTec składają się [3, 4,

27]:

‒ reaktor katalityczny utleniający, zabudowany razem z bezobsługowym filtrem

cząstek stałych,

‒ dozownik wodnego roztworu preparatu mocznikowego AdBlue, rozkładającego

się na amoniak,

‒ reaktor katalityczny SCR, przetwarzający tlenki azotu do czystego azotu.

Firma Daimler zdecydowała się również wprowadzić na rynek motoryzacyjny

system BlueTec w innej, mniej skomplikowanej technicznie wersji – bez dawkowania

roztworu mocznikowego. W zamian system wykorzystuje reaktory katalityczne DeNOx

oraz SCR (ten drugi działający dzięki wytwarzaniu amoniaku w pewnych fazach pracy

reaktora DeNOx).

- 16 -

Nazwa BlueTec określa nie tylko wspomniany układ reaktorów katalitycznych

i filtrów, ale cały system pozwalający na zminimalizowanie emisji wszelkich

szkodliwych składników spalin. W jego skład bowiem wchodzą najnowsze rozwiązania

osprzętu silnika z wielofazowym wtryskiem paliwa pod ciśnieniem ponad 200 MPa

(wtryskiwacze piezoelektryczne), mały stopień sprężania równy 16,5, nowa konstrukcja

ceramicznych świec żarowych, regulowana turbosprężarka, układ recyrkulacji spalin,

wreszcie zaawansowane sterowanie elektroniczne. Zespół współpracujących reaktorów

katalitycznych i filtrów jest ostatnim ogniwem tego systemu.

Drugim przykładem zaawansowanego układu oczyszczania spalin,

przeznaczonym jednak do pojazdów ciężarowych, jest system CRT (Continuous

Regeneration Trap). Stanowi on połączenie reaktora katalitycznego utleniającego i filtra

cząstek stałych SMF (Sintered Metal Filter, wykonany z metali spiekanych),

zamkniętych we wspólnej obudowie. Filtr w systemie CRT nie wymaga stosowania

dodatku do paliwa, jego regeneracja zachodzi dzięki precyzyjnemu sterowaniu

parametrami spalin. Układ CRT opracowano w niemieckiej firmie HJS Emission

Technology (HJS); jest przewidziany do stosowania w autobusach i innych pojazdach

użytkowych (rys. 2.2).

Rys. 2.2. System CRT samochodu ciężarowego

Mercedes-Benz Actros (Euro V) [29]

Filtr cząstek stałych SMF, w przeciwieństwie do filtrów ceramicznych wykonano

ze specjalnego spieku metalowego. Posiada on ścianki wykonane z porowatej stali

chromoniklowej o dużej odporności termicznej, na które dodatkowo naniesiono ten sam

materiał w postaci sproszkowanej (rys. 2.3). Ścianki te są łączone ze sobą na

przeciwległych końcach, tworząc tym samym na przemian rozszerzające się i zwężające

komory. Umieszczone na ściankach pory o małej średnicy (ok. 10 μm) umożliwiają

przenikanie spalin z komory do komory, podczas gdy cząstki stałe zatrzymują się

w skomplikowanej strukturze spieku. Sprawność filtrów SMF wynosi nawet 99 %,

a jednocześnie straty ciśnienia (wywoływane przez filtr) są relatywnie niewielkie [66].

Dobre odprowadzanie ciepła i metalowa elastyczność chronią filtr przed termicznym

uszkodzeniem regeneracyjnym. Dodatkowo wyeliminowano ewentualną możliwość

emisji szkodliwych włókien ceramicznych.

- 17 -

a) b)

Rys. 2.3. Wkład filtra SMF [29]: a) ścianki wykonane z blachy chromoniklowej, dodatkowo pokrytej

chromoniklowym proszkiem, b) fragment ścianki filtra widziany pod mikroskopem

System CRT różni się od innych rozwiązań wykorzystujących filtr cząstek

stałych. Do wypalania cząstek zatrzymanych w filtrze nie wykorzystuje się bowiem

cząsteczek tlenu, lecz cząsteczki dwutlenku azotu. Umieszczony przed filtrem

utleniający reaktor katalityczny, powoduje m.in. utlenienie tlenku azotu (NO) do

dwutlenku azotu (NO2). Jest to ważne, ponieważ tlenek azotu, w przeciwieństwie do

dwutlenku, nie przyczynia się do wypalania PM i regeneracji filtra. Skuteczne działanie

układu oczyszczania spalin CRT wiąże się między innymi z [66]:

‒ koniecznością stosowania paliwa o zawartości siarki ograniczonej do 50 ppm,

‒ potrzebą zapewnienia temperatury spalin w zakresie od 250 do 400 ºC.

Układ oczyszczania spalin firmy HJS może być uzupełniony o reaktor

katalityczny redukujący NOx. Modułową budowę systemu CRT z dodatkowym

reaktorem redukującym (system SCRT) przedstawiono na rysunku 2.4.

Rys. 2.4. Nowoczesny układ oczyszczania spalin SCRT firmy HJS [29]

Kolejnym przykładem konstrukcyjnym – tym razem z grupy przedsięwzięć

pierwotnych – zastosowania skutecznych metod ograniczania emisji NOx i PM jest

rozwiązanie szwedzkiego producenta pojazdów ciężarowych. Firma Scania, jako

pierwszy na świecie producent, zbudowała silnik spełniający normę emisji Euro V bez

konieczności oczyszczania spalin za pomocą układów pozasilnikowych. W celu

uzyskania dużych parametrów eksploatacyjnych silnika i jednocześnie małego zużycia

- 18 -

paliwa, wprowadzono kilka nowych technologii (w tym nowy układ wtrysku paliwa).

Dwa spośród nowej gamy silników, przeznaczone do zastosowań w transporcie

miejskim, zaprojektowano również według wymagań normy emisji spalin EEV.

Nową platformę silnikową opracowano od podstaw z myślą o technologii

recyrkulacji gazów wylotowych EGR oraz Scania XPI (eXtra-high Pressure Injection)

– nowym układzie wtryskowym. Główny wpływ na założenia projektowe miały

wymagania dotyczące parametrów użytkowych silnika i oszczędności paliwa, jak

również ochrony środowiska, wytrzymałości konstrukcji i wygody eksploatacji. Między

innymi dzięki układowi EGR emisja zanieczyszczeń jest utrzymywana na niskim

poziomie już na etapie procesu spalania (rys. 2.5). W związku z tym nie ma potrzeby

stosowania pozasilnikowych układów oczyszczania spalin i np. montowania

w pojeździe zbiorników na dodatki chemiczne (jakie ma miejsce w przypadku układu

selektywnej redukcji katalitycznej).

Rys. 2.5. Rozbudowany system EGR w silniku Scania – z dwustopniowym

chłodzeniem (Vss = 13 dm3, Euro V) [34]

W celu zachowania kontroli nad wszystkim, co ma związek z parametrami

eksploatacyjnymi silnika, szwedzki producent opracował też nową generację układów

sterowania silnikiem. Układy te nadzorują dużą liczbę funkcji i systemów, takich jak

np.: wtrysk paliwa, dwustopniowy układ recyrkulacji spalin, doładowanie, hamulec

wydechowy, turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek (VGT – Variable Geometry

Turbocharger).

Wspominany, nowy, wysokociśnieniowy układ wtryskowy typu common rail –

Scania XPI opracowano we współpracy z amerykańską firmą Cummins. Duża wartość

ciśnienia wtrysku już na etapie spalania zapewnia małą ilość powstających PM

w spalinach. Przedmiotowy układ pozwala na duże możliwości w kwestii doboru kąta

wyprzedzenia i czasu trwania wtrysku oraz ciśnienia wtrysku paliwa. Istnieje również

możliwość stosowania wtrysku wielofazowego, dzięki elektronicznej jednostce

sterującej (ECU – Electronic Control Unit). W pierwszym etapie do cylindra silnika

podawana jest niewielka dawka wstępna (pilotująca), która ma za zadanie zredukowanie

poziomu hałasu i wytworzenie odpowiednich warunków w komorze spalania, aby

zapewnić małą emisję substancji toksycznych. Dawka końcowa (tzw. powtrysk),

podawana krótko po wtrysku głównym, zmniejsza zawartość tlenków azotu i cząstek

stałych w spalinach.

- 19 -

2.2. Zmiany konstrukcyjne jednostek napędowych

Zaprezentowane w poprzednim podrozdziale (wybrane) układy oczyszczania

spalin w największym stopniu umożliwiają zmniejszenie ilości zanieczyszczeń

emitowanych z jednostek napędowych pojazdów samochodowych. W tym aspekcie

prowadzi się również działania nad optymalizacją konstrukcji i pracy samych silników,

by już tzw. surowe spaliny charakteryzowały się jak najmniejszą zawartością substancji

szkodliwych, a zwłaszcza tych toksycznych (CO, HC, NOx, PM). Działania te wpisują

się w przedsięwzięcia pierwotne, polegające na wprowadzaniu pewnych zmian

konstrukcyjnych lub regulacyjnych w podzespołach silnika, mających na celu

minimalizację emisji spalin z cylindrów.

Współczesne, konwencjonalne silniki ZI bez wątpienia cechują się mniejszą

emisją substancji szkodliwych w porównaniu do silników ZS (jest to jedna z ich

głównych zalet). Wynika to m.in. z montowania w nich bardzo skutecznych, a zarazem

prostych układów oczyszczania spalin. Problemem w przypadku silników ZI jest

natomiast, pozostające jeszcze na dość wysokim poziomie zużycie paliwa. Trwają

jednak ciągłe prace B+R nad polepszeniem ekonomii paliwowej.

Wzrost sprawności działania (pracy) silników ZI, czyli zmniejszenie

energochłonności, ich producenci starają się uzyskać na kilka sposobów. Jest to

możliwe między innymi przez następujące technologie [40]:

‒ dezaktywacja cylindrów,

‒ zmienne napełnienie cylindrów,

‒ optymalizacja strat tarcia,

‒ zarządzanie cieplne silnikiem,

‒ doładowanie turbosprężarką,

‒ zmienny stopień sprężania (VCR – Variable Compression Ratio),

‒ zmienne systemy zaworowe (VVT – Variable Valve Timing, VVTL – Variable

Valve Timing and Lift),

‒ bezpośredni wtrysk benzyny oraz spalanie mieszanek jednorodnych (HCCI –

Homogeneous Charge Compression Ignition).

We współczesnych silnikach ZI stosuje się również wiele rozwiązań technicznych

i technologicznych, pozwalających na polepszenie ich właściwości ekologicznych.

Zmianom podlega przede wszystkim sterowanie silnikiem. Wprowadza się także

sterowanie układem chłodzenia. Ponadto eliminuje się przepustnicę, stosuje

bezpośredni wtrysk benzyny do cylindrów oraz różnego rodzaju doładowanie (rys. 2.6

i 2.7).

Obecnie wielu producentów znacznie zmniejsza produkcję silników

charakteryzujących się dużą objętością skokową i masą. W ich miejsce wprowadzają

nowe jednostki napędowe o małej objętości skokowej (także z mniejszą liczbą

cylindrów), często przewyższające swoimi parametrami eksploatacyjnymi jednostki

większe gabarytowo. Tym sposobem z 1 dm3 objętości skokowej silnika uzyskuje się

znacznie więcej mocy użytecznej. Nowe konstrukcje silników spalinowych, oprócz

mniejszych wymiarów, charakteryzują się także większą sprawnością. Oznacza to

- 20 -

lepsze wykorzystanie energii chemicznej zmagazynowanej w paliwie – mniejsze

przebiegowe zużycie paliwa [52, 72]. Te dążenia obserwowane wśród producentów

silników, noszące miano downsizingu, dotyczą zarówno silników ZI, jak i ZS (rys. 2.8

i 2.9). Należy przy tym wspomnieć, iż podobną popularność w przemyśle

motoryzacyjnym zyskuje tzw. downspeeding [60, 84]. Trend ten polega na

odpowiednich zmianach w konstrukcji silnika, w celu umożliwienia używania

mniejszych prędkości obrotowych. Obie te technologie mają na celu spowodowanie by

praca silnika odbywała się w bardziej korzystnych, pod względem emisji spalin

i zużycia paliwa, obszarach jego charakterystyk.

pe

[bar

]

Prędkość obrotowa [obr/min]

g e[g

/(kW

·h)]

Rys. 2.6. Zmiany podstawowych parametrów pracy doładowanych

silników ZI na przestrzeni ostatnich lat [23]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Em

isja

CO

2w

te

śc

ie e

uro

pe

jsk

im[%

]

ZI-silnik

bazowy

> - 35%

Elektro-

magnet.

napęd

zaworów

ZI DI Turbo,

„down-

sizing”

ZI DI

Turbo,

VCR

VVT/

VVTL

ZI DI

NA

(mieszanki

ubogie)

ZI DI Turbo,

VCR,

przekładnia

hybrydowa

Rys. 2.7. Możliwości zmniejszenia emisji CO2 na przykładzie zmian konstrukcyjnych,

wprowadzanych w silnikach o zapłonie iskrowym [40]

- 21 -

a) b)

Rys. 2.8. Prognoza udziału procentowego silników ZI o różnej objętości skokowej

w ogólnym ich rynku: a) rok 2009, b) rok 2016 [93]

a) b)

Rys. 2.9. Prognoza udziału procentowego silników ZS o różnej objętości skokowej

w ogólnym ich rynku: a) rok 2009, b) rok 2016 [93]

Silnik SGE (Small Gasoline Engine) firmy FIAT jest dobrym przykładem

zastosowania technologii downsizingu w motoryzacji. Jest to silnik dwucylindrowy

o objętości skokowej 0,9 dm3, przeznaczony do napędu samochodów osobowych (rys.

2.10). Układ zasilania stanowi elektronicznie sterowany, pośredni, wielopunktowy

wtrysk paliwa (MPI – Multi Point Injection).

W omawianym silniku zastosowano innowacyjny system MultiAir (rys. 2.11).

Technologia MultiAir to zintegrowany układ sterowania zaworami dolotowymi.

Zawory te są napędzane od krzywek wału rozrządu za pośrednictwem specjalnych

siłowników hydraulicznych, których pracę korygują elektrozawory sterowane przez

zintegrowany sterownik elektroniczny silnika (ECU). Można dzięki temu

optymalizować czas początku otwarcia, końca otwarcia oraz wznios zaworów

dolotowych. Układ zmiennego wzniosu zaworów działa szybko, czas odpowiedzi

systemu jest krótki, a straty mocy systemu mechanicznego są małe. System sterowania

zapewnia płynne przejścia pomiędzy poszczególnymi trybami pracy i całkowicie

zastępuje przepustnicę tradycyjnego silnika ZI.

- 22 -

Rys. 2.10. Silnik FIAT SGE MultiAir [28]

Główną zaletą silnika SGE jest znaczna redukcja emisji dwutlenku węgla,

w stosunku do obecnie produkowanych silników o zapłonie iskrowym. Poziom emisji

CO2, napędzanego tym silnikiem samochodu FIAT Panda, wynosi w teście jezdnym

NEDC (New European Driving Cycle) około 100110 g/km. Jest to wartość mniejsza

od uzyskiwanej przez ten pojazd napędzany silnikiem ZS (113 g/km) [28].

Rys. 2.11. Technologia MultiAir zastosowana w silniku FIAT SGE [28]

W przypadku współczesnych, konwencjonalnych silników ZS należy wskazać na

jedną z ich głównych zalet w postaci małego zużycia paliwa. Mimo tego, ciągle trwają

prace badawczo-rozwojowe nad dalszym zmniejszeniem wartości zużywanego przez te

silniki paliwa oraz, bezpośrednio związanym z tym, obniżeniem poziomu emisji

dwutlenku węgla z pojazdów napędzanych tymi silnikami. Główną wadą silników ZS

jest natomiast duża emisja tlenków azotu oraz cząstek stałych.

W celu sprostania ciągle zaostrzanym normom dotyczącym emisji substancji

szkodliwych, prowadzi się prace badawcze nad spalaniem niskotemperaturowym.

Ponadto stosuje się zaawansowane systemy doprowadzania ładunku do cylindra oraz

sterowanie silnikiem w pętli zamkniętej. Producenci silników pracują też nad

polepszeniem sprawności redukcji tlenków azotu (konieczność opracowywania

nowoczesnych systemów oczyszczania spalin). Pomimo stosowania bezpośredniego

- 23 -

wtrysku paliwa oraz doładowania – najczęściej turbosprężarkowego – nadal

wykonywane są też prace nad poprawą procesu spalania paliwa, w tym także nad

systemami spalania ładunków homogenicznych (HCCI). Aby tego dokonać między

innymi opracowuje się nowe strategie sterowania silnikiem.

W pojazdach samochodowych napędzanych silnikami o zapłonie samoczynnym

rozwija się obecnie także następujące technologie [40]:

‒ wtrysk wielofazowy,

‒ downsizing i downspeeding,

‒ ograniczanie strat tarcia,

‒ zintegrowany układ chłodzenia,

‒ zastosowanie paliw syntetycznych,

‒ system recyrkulacji spalin,

‒ system doładowania silnika,

‒ system wtrysku common rail,

‒ system diagnostyki pokładowej OBD (On-Board Diagnostics),

‒ filtry cząstek stałych bez dodatków regenerujących.

Technologie stosowane w silnikach ZI i ZS stopniowo się łączą – następuje

swoista unifikacja konstrukcyjna tych silników (rys. 2.12). Rozwój obu typów silników

prowadzi do uzyskania wspominanego spalania niskotemperaturowego, co wpływa na

zmniejszenie emisji tlenków azotu. W przypadku silnika ZI zwiększa się jego stopień

sprężania, w celu poprawy jego sprawności, co przekłada się na zmniejszenie zużycia

paliwa. Natomiast w przypadku silnika ZS zmniejsza się stopień sprężania, aby obniżyć

maksymalną temperaturę procesu spalania i ograniczyć tym samym emisję NOx.

Pośredni wtrysk paliwa, stosowany obecnie tylko w silnikach ZI, zastępowany jest

przez wtrysk bezpośredni (taki, jak w silnikach ZS). Dąży się ponadto do uzyskania

wtrysku kompleksowego, przy zastosowaniu w silniku dużego stopnia recyrkulacji

spalin.

Rys. 2.12. Silnik ZI i ZS serii SKY firmy Mazda [31]

- 24 -

2.3. Napędy alternatywne

Układ napędowy ma znaczący wpływ na aspekty ekologiczne i ekonomiczne

pojazdu, czyli emisję substancji szkodliwych oraz zużycie paliwa. Jego głównym

elementem jest silnik spalinowy. W skład układu napędowego wchodzą również m.in.

przekładnia główna, skrzynia przekładniowa, wał napędowy oraz mechanizm

różnicowy. Od sprawności poszczególnych elementów tego układu zależy w jakim

stopniu, do napędu pojazdu, zostanie wykorzystana energia chemiczna paliwa i w jakim

stopniu będzie on oddziaływał na środowisko naturalne.

Możliwość długiej eksploatacji pojazdów wiąże się między innymi z dobrze

skonstruowanym układem napędowym. Przy jego projektowaniu, oprócz dużej

wytrzymałości, bierze się pod uwagę także wspominane względy ekologiczne

i ekonomiczne. Producenci pojazdów muszą więc w tych kierunkach ciągle prowadzić

prace, aby sprostać uregulowaniom prawnym, dotyczącym ekologii eksploatacji

pojazdów, oraz oczekiwaniom klientów (użytkowników). Z powodu istnienia dużej

konkurencji wśród producentów, obserwuje się obecnie szybko postępującą ewolucję

w układach napędowych, która jest procesem pozytywnym (rys. 2.13). Powoduje ona

bowiem poprawę bezpieczeństwa i efektywności transportu oraz wpływa na

zmniejszenie negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne.

dzisiaj jutro

Wodóri ogniwa paliwowe

Paliwa alternatywne

Optymalizacja silników spalinowych

Pojazdy hybrydowe

Rys. 2.13. Perspektywy rozwoju systemów napędowych pojazdów [11]

Mimo prognozowanego dość znaczącego wzrostu udziału poszczególnych

napędów alternatywnych w rynku motoryzacyjnym, rola konwencjonalnego silnika

spalinowego w najbliższych latach będzie nadal dominująca (rys. 2.14). Postępująca

coraz szybciej ewolucja systemów napędowych jest jednak w pewnym stopniu

ograniczona: brakiem odpowiedniej infrastruktury (stacje tankowania wodoru i innych

paliw alternatywnych, punkty ładowania pojazdów elektrycznych itp.) oraz większymi

kosztami tych rozwiązań. Stąd bardziej racjonalnym rozwiązaniem jest dalsza praca nad

optymalizacją silników zasilanych paliwami ropopochodnymi, co czyni się w wielu

ośrodkach badawczych i badawczo-rozwojowych.

- 25 -

Rys. 2.14. Przewidywany udział poszczególnych typów napędów

w nowych samochodach osobowych na terenie Unii Europejskiej [10, 50]

Dobrym przykładem na doskonalenie konstrukcyjne i funkcjonalne

konwencjonalnych jednostek napędowych jest adaptowanie w nich układów lub

napędów mechatronicznych (rys. 2.15). Można nawet zauważyć dość szybkie tempo

wzrostu udziału tego typu układów we współczesnych konstrukcjach. Coraz częściej

bowiem, do napędu wielu podzespołów silnika i urządzeń w pojeździe, wykorzystuje

się napęd elektryczny połączony z jednostką sterującą pojazdu. Zaczynają się pojawiać

choćby takie podzespoły zasilane elektrycznie, jak elektromechaniczne zawory oraz

elektryczna pompa cieczy chłodzącej. Stosuje się także elektryczne doładowanie oraz

elektryczną klimatyzację.

Napęd mechatroniczny pozwala zmniejszyć zużycie paliwa przez pojazd, jednak

znacznie wzrasta w nim zapotrzebowanie na energię elektryczną. Konieczne staje się

więc często stosowanie dodatkowego źródła energii (APU – Auxiliary Power Unit),

które niewątpliwie powoduje m.in. wzrost masy pojazdu oraz kosztu zakupu. Ponadto

zajmuje ono dodatkowe miejsce w pojeździe.

Rok

5

0Za

po

trze

bo

wa

nie

mo

cy

ele

ktr

yczn

ej

[kW

]

10

Elektryczna

klimatyzacja

1995 2000 2005 2010 2015

Elektromechaniczne

zawory

Zintegrowany rozrusznik/generator

System start-stop

Dodatkowe źródło

mocy (APU)

Elektroniczne sterowanie

Elektryczne

doładowanie

Wprowadzenie

Rys. 2.15. Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną przy wzroście udziału

napędu mechatronicznego w pojazdach [40]

- 26 -

W ewolucji układów napędowych pojazdów dużą rolę odgrywają obecnie paliwa

alternatywne. Chociaż większość współcześnie produkowanych pojazdów napędzanych

silnikami ZS zasilana jest konwencjonalnym olejem napędowym, coraz powszechniej

spotyka się jednak pojazdy zasilane innym rodzajem paliw. Mały udział pojazdów

zasilanych paliwami alternatywnymi w ogólnym rynku pojazdów wynika ze słabo

zorganizowanej infrastruktury – mała liczba stacji tankowania.

Paliwami alternatywnymi, które aktualnie mają już dość ugruntowaną pozycję

w środowisku motoryzacyjnym i mają szansę na dalsze zwiększanie swego udziału

w światowym rynku paliw są:

‒ sprężony gaz ziemny (CNG – Compressed Natural Gas),

‒ bioetanol – używany jako samoistne paliwo lub jako biokomponent, zarówno

w silnikach ZI, jak i ZS,

‒ estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych (FAME – Fatty Acid

Methyl Esters), a zwłaszcza estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju

rzepakowego (RME – Rapeseed Methyl Esters) – stosowane jako biokomponenty

w oleju napędowym lub jako samodzielne paliwo – tzw. biodiesel.

Współcześnie gaz ziemny w postaci sprężonej (CNG) stosuje się najczęściej do

zasilania silników autobusów miejskich. Gaz ziemny jest naturalnym

wysokokalorycznym paliwem występującym samodzielnie lub towarzyszącym

pokładom ropy naftowej. Po wydobyciu wymaga jedynie osuszenia oraz, w niektórych

przypadkach, odsiarczenia. Głównym jego składnikiem jest metan, którego zawartość

wynosi od 85 do 98 %. Pozostałe składniki to: etan, propan i butan oraz w mniejszych

ilościach dwutlenek węgla, tlen, azot i niekiedy hel [51]. Do zasilania silników

pojazdów wykorzystuje się wyłącznie gaz ziemny zawierający powyżej 90 % metanu

(tzw. wysokometanowy). Wielu producentów przystosowało silniki do zasilania tego

rodzaju paliwem. Można je spotkać m.in. w autobusach marki Solaris, Volvo, MAN

oraz Scania (rys. 2.16).

Rys. 2.16. Autobus MAN Lion’s City CNG [30]

Aby rozwiązać problem małej dostępności na rynku paliwa gazowego CNG,

firma Bosch Automotive Technology (Bosch) opracowała system DG-Flex. System ten

umożliwia podwójne zasilanie: olejem napędowym oraz gazem ziemnym. W tym

samym czasie wykorzystywane są obydwa paliwa w różnych proporcjach,

- 27 -

z maksymalnie 90-procentowym udziałem gazu. Parametry eksploatacyjne silnika oraz

jego prędkość obrotowa pozostają niezmienione, w porównaniu do zasilania samym

olejem napędowym. Użycie gazu ziemnego zmniejsza koszty eksploatacyjne (nawet o

30 %) a przy okazji chroni środowisko naturalne. System DG-Flex firmy Bosch

przeznaczony jest głównie dla autobusów miejskich oraz lekkich pojazdów użytkowych

[25].

Innym paliwem alternatywnym, które znalazło zastosowanie przede wszystkim

w autobusach miejskich jest bioetanol. Jest ono produkowane z roślin zawierających

cukier (buraki, trzcina, proso cukrowe), skrobię (zboża, ziemniaki) oraz celulozę.

Używane jest jako samoistne paliwo oraz jako biokomponent. Najpopularniejsze paliwa

oparte na bioetanolu to: E10, E20, E85, E95, E100 [91].

Producentem pojazdów ciężarowych, który przystosował silniki do zasilania

paliwem E95 jest Scania (rys. 2.17 i 2.18). Jest to biopaliwo do silników o zapłonie

samoczynnym, będące mieszaniną składającą się z 95 % obj. bioetanolu i 5 % obj.

dodatków poprawiających jego parametry. Paliwo E95 ma zastosowanie wyłącznie

w dużych silnikach ZS, wykorzystywanych do zasilania odpowiednio przystosowanych

samochodów ciężarowych i autobusów. Paliwo to jest produktem oferowanym na małą

skalę. W Europie paliwo E95 stosowane jest głównie w Szwecji.

Rys. 2.17. Silnik firmy Scania zasilany paliwem E95 [34]

Rys. 2.18. Autobus miejski Scania OmniCity podczas tankowania bioetanolu [34]

- 28 -

Po zastosowaniu paliw alternatywnych w pojazdach, kolejnym krokiem

w ewolucji układów napędowych tych pojazdów było zastosowanie napędu

hybrydowego. Coraz częściej można zaobserwować na ulicach miast, gdzie racjonalne

jest stosowanie układu hybrydowego, pojazdy różnych kategorii homologacyjnych,

wyposażone w silnik spalinowy w połączeniu z maszyną elektryczną. Jest to obecnie

najpopularniejsza konfiguracja, na różny sposób rozwijana w ośrodkach badawczych

(swoistym pierwowzorem obecnych rozwiązań był samochód Toyota Prius I generacji

z 1997 roku). Głównymi zaletami pojazdów z napędem hybrydowym są [51]:

‒ możliwość odzysku energii podczas hamowania (tzw. hamowanie

rekuperacyjne) – mniejsze straty energetyczne,

‒ silnik spalinowy dobierany jest do średnich obciążeń – mniejsza masa silnika,

‒ duży wzrost sprawności przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji substancji

szkodliwych.

System start-stop, czyli rozwiązanie techniczne pozwalające na samoczynne

wyłączanie się i włączanie silnika podczas postoju pojazdu (np. na czerwonym świetle

lub podczas występowania zjawiska kongestii drogowej), jest pewną odmianą pełnego

układu hybrydowego. Układ ten jest zaliczany do tzw. mikro-hybryd (micro-hybrids).

Aby podołać potrzebom częstego uruchamiania silnika pojazdu, jego rozrusznik

i alternator muszą być odpowiednio wzmocnione. Często pojazdy posiadające system

start-stop mają zblokowany układ rozrusznika-alternatora (rys. 2.19).

Rys. 2.19. Silnik ze zintegrowanym rozrusznikiem-alternatorem [25]

Z pewnością do bardzo korzystnych zastosowań systemu start-stop należy jego

montaż w autobusach miejskich. Przykładem takich działań jest skonstruowany przez

firmę Solaris Bus & Coach S.A., we współpracy z amerykańską firmą Eaton, autobus

Urbino 12 Hybrid (rys. 2.20). Dzięki temu autobus w rejonie przystanków – chwilowe

wyłączenie jednostki napędowej – radykalnie zmniejsza emisję substancji szkodliwych.

Rys. 2.20. Autobus miejski Solaris Urbino 12 Hybrid z systemem start-stop [36]

- 29 -

Pełny napęd hybrydowy w pojazdach ciężkich (o masie własnej powyżej 2610 kg)

jako pierwsza postanowiła zaadaptować firma Volvo Trucks. Początkowo były to

samochody ciężarowe wykorzystywane w transporcie komunalnym (rys. 2.21),

a w szczególności śmieciarki. Z upływem czasu również inni producenci pojazdów

użytkowych zaprezentowali swoje konstrukcje z segmentu średniego. Były nimi między

innymi firmy: Renault Trucks (samochód Premium Distribution Hybrys Tech)

i Daimler (Mercedes-Benz Econic BlueTec Hybrid).

Napęd hybrydowy zastosowany w tych pojazdach umożliwia jazdę

z wykorzystaniem tylko silników elektrycznych, co pozwala zmniejszyć hałas

emitowany przez te pojazdy (korzystne zwłaszcza w ścisłych centrach miast). Jest to

w pełni funkcjonalny układ hybrydowy w konfiguracji równoległej (obecnie najczęściej

stosowany), pozwalający na napęd pojazdu przez silnik spalinowy i/lub elektryczny.

Główne zalety równoległego układu hybrydowego to [51]:

‒ pojazd ma do dyspozycji większą moc niż zainstalowany silnik spalinowy,

ponieważ oba silniki mogą dostarczać energię jednocześnie,

‒ nie jest konieczne zabudowanie generatora do ładowania akumulatorów,

‒ większa sprawność energetyczna niż w przypadku konfiguracji szeregowej.

Rys. 2.21. Układ napędowy samochodu Volvo FE Hybrid [38]: 1 – silnik spalinowy Volvo D7,

2 – sprzęgło, 3 – silnik elektryczny I-SAM, 4 – zautomatyzowana skrzynia przekładniowa I-Shift,

5 – elektroniczna jednostka sterująca PMU, 6 – akumulatory, 7 – konwerter prądu

Napęd hybrydowy został również zaadaptowany w publicznym transporcie osób.

Autobusy miejskie cechuje znacząco inny charakter ruchu niż autobusów kursujących

w komunikacji międzymiastowej oraz autokarów.

Jak dotąd napęd hybrydowy w autobusach miejskich upowszechnił się głównie

w Stanach Zjednoczonych i Japonii. W Europie udział autobusów miejskich z napędem

hybrydowym, w ogólnej liczbie eksploatowanych autobusów, jest obecnie mały.

Miejskie przedsiębiorstwa komunikacyjne, głównie dla celów testowych (badawczych),

kupują pojedyncze egzemplarze. Pierwszym europejskim autobusem miejskim

o napędzie hybrydowym, który trafił do produkcji seryjnej, był Solaris Urbino 18

Hybrid firmy Solaris. Premiera tego autobusu odbyła się podczas targów IAA

w Hanowerze w roku 2006. Inni europejscy producenci autobusów (np. MAN Bus,

Volvo Buses) również mogą poszczycić się wyprodukowaniem autobusów,

wyposażonych w napęd hybrydowy (rys. 2.22).

- 30 -

a) b)

Rys. 2.22. Dwunastometrowe autobusy miejskie z napędem hybrydowym [30, 38]:

a) MAN Lion’s City Hybrid, b) Volvo 7700 Hybrid

Aktualnie największe zainteresowanie użytkowników jest skierowane na

samochody o napędzie hybrydowym, wykorzystywane w transporcie dystrybucyjnym

(rys. 2.23 i 2.24). Dotyczy to zwłaszcza właścicieli dużych flot pojazdów, dla których

(ze względu na efekt skali) najbardziej zauważalne mogą być korzyści ze stosowania

układów hybrydowych w pojazdach. Pojazdy przeznaczone do transportu

dystrybucyjnego, podobnie jak autobusy, muszą często ruszać i zatrzymywać się

(pomijając warunki ruchu na drodze). Wynika to z istnienia sieci dość gęsto

rozmieszczonych punktów odbioru towarów.

Akumulatory

Skrzynia przekładniowa

Silnik elektryczny

Silnik spalinowy

Rys. 2.23. Napęd hybrydowy w samochodzie

Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid [32]

Rys. 2.24. DAF LF45 Hybrid, wykorzystywany w transporcie dystrybucyjnym [26]

- 31 -

Przyszłość w ewolucji systemów napędowych wiąże się z zastosowaniem do

napędu pojazdów wodoru, jako bezpośredniego paliwa do silników lub

wykorzystywanego do zasilania ogniw paliwowych. Największym problemem do

rozwiązania jest sposób przechowywania tego paliwa w pojeździe oraz obecnie duży

koszt jego wytwarzania. W przyszłości wzrośnie też udział napędu elektrycznego

stosowanego w pojazdach. Pojazdy te mogą być zasilane z akumulatorów (ciągle trwają

prace nad polepszeniem ich parametrów eksploatacyjnych) lub z ogniw paliwowych

(rys. 2.25).

Rys. 2.25. Elektryczny autobus miejski napędzany

ogniwami paliwowymi [27]

Mimo różnych problemów i niedogodności związanych z eksploatacją pojazdów

zasilanych ogniwami paliwowymi, pojawia się coraz więcej konstrukcji takich

pojazdów. Wynika to m.in. z korzyści ekologicznych jakie przynosi stosowanie takiego

właśnie rodzaju napędu. Dzięki ogniwom paliwowym pojazd porusza się

z wykorzystaniem silników elektrycznych. Taki cichy rodzaj napędu jest szczególnie

korzystny w centrach miast.

Widząc słuszność stosowania napędu elektrycznego, a chcąc uniknąć problemów

związanych z eksploatacją pojazdów zasilanych ogniwami paliwowymi, pracuje się nad

pojazdami w pełni elektrycznymi (źródłem napędu są akumulatory ładowane z sieci

elektrycznej; rys. 2.26a). Nowością wśród elektrycznych autobusów miejskich są

autobusy wykorzystujące do napędu energię elektryczną pochodzącą z ogniw

słonecznych (rys. 2.26b).

a) b)

Rys. 2.26. Autobus miejski [89, 94]: a) w pełni elektryczny, podczas szybkiego ładowania,

b) zasilany ogniwami słonecznymi

- 32 -

2.4. Sposób eksploatacji pojazdu

Wytwórcy pojazdów silnikowych na całym świecie stale doskonalą różne sposoby

ograniczania uciążliwości eksploatacyjnej swoich produktów w aspekcie oddziaływania

na środowisko naturalne. Sposoby te dotyczą m.in. poprawy procesu spalania paliwa

w silniku – zwiększenie sprawności konwersji energii – oraz rozwijania

zaawansowanych technik oczyszczania spalin. Nie tylko doskonałe jednostki napędowe

pod kątem ekologicznym są w stanie zmniejszyć negatywne oddziaływanie pojazdów

samochodowych na środowisko naturalne. Ważny w tym względzie jest także sam

sposób ich późniejszej eksploatacji.

Przykładem „eksploatacyjnych” sposobów na zmniejszenie zużycia paliwa przez

pojazdy oraz emisji spalin, będących dobrym uzupełnieniem dla tych stricte

konstrukcyjnych i technologicznych, są metody z zakresu inżynierii i organizacji ruchu.

Zaliczyć do nich można choćby: zastosowanie nowoczesnych narzędzi

kontrolingowych w postaci telematycznych systemów zarządzania flotą pojazdów oraz

implementację inteligentnych systemów transportowych (ITS – Intelligent

Transportation Systems).

Wdrożenie nowoczesnych systemów telematycznych (rys. 2.27), których

podstawą działania jest system GPS/GSM, stanowi pewnego rodzaju remedium na

poprawę funkcjonowania transportu. Systemy te są rozwiązaniami integrującymi

technologie informatyczne i telekomunikacyjne z inżynierią transportu, przy wsparciu

takich dziedzin naukowych jak ekonomia, inżynieria systemów procesowych,

sterowanie ruchem, itp. To połączenie służy m.in. zwiększeniu bezpieczeństwa

transportu, zwiększeniu jego efektywności i wygody oraz zmniejszeniu jego

negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne.

Rys. 2.27. Przykładowe elementy składowe systemu telematycznego

stosowanego w transporcie [88]

- 33 -

Systemy telematyki transportowej mogą być zastosowane m.in. w następujących

obszarach [1]:

‒ sterowanie ruchem pojazdów na trasie; automatyczne systemy telematyki służą tu

przede wszystkim zwiększeniu bezpieczeństwa i płynności ruchu oraz

zmniejszeniu obciążeń środowiska,

‒ sterowanie ruchem pojazdów w sieci; jest to zadanie operatora systemu

transportowego,

‒ informacje o sposobach i warunkach podróży, które powinny być dostępne

zarówno przed rozpoczęciem podróży, jak i podczas jej trwania,

‒ ocena stylu jazdy kierowcy; monitoring sposobu prowadzenia pojazdu pozwala

np. na skuteczne wdrażanie zasad ekonomicznej jazdy.

Wśród wielu możliwości jakie niesie za sobą stosowanie systemów

telematycznych w transporcie osób i ładunków, w aspekcie ekologii szczególną rolę

odgrywają te związane z bieżącą kontrolą pracy kierowcy, zwłaszcza stosowanego

przez niego stylu jazdy. Z uwagi na wysokie ceny rynkowe paliw, styl jazdy kierowców

stał się także jednym z kluczowych elementów możliwości redukcji kosztów w firmach

transportowych. Ekologia i ekonomia są ze sobą zatem nierozerwalnie związane.

Obecnie na rynku dostępnych jest wiele systemów telematyki, wyposażonych

w cyfrowego asystenta stylu jazdy. Umożliwia on natychmiastowe wykrycie błędów

w technice jazdy i wskazanie kierowcy przyczyn powodujących zwiększone zużycie

paliwa. Mogą to być np.: nadmierna prędkość jazdy, częste przyspieszanie

i hamowanie, zły dobór przełożeń w skrzyni biegów, nagminne przekraczanie

„zielonego” zakresu prędkości obrotowej silnika, długie lub częste postoje – praca

silnika na biegu jałowym.

Przykładowym urządzeniem, będącym asystentem stylu jazdy, jest CarCube firmy

Punch Telematix. Łączy ono telematykę, telemetrię, nawigację i telefonię komórkową.

Podczas jazdy mierzy takie parametry, jak zużycie paliwa, prędkość obrotowa silnika,

hamowanie i przyspieszanie, oraz sygnalizuje kierowcy na wyświetlaczu i sygnałem

dźwiękowym, w jaki sposób może on zmniejszyć zużycie paliwa (rys. 2.28). Tego

rodzaju cyfrowy asystent stylu jazdy ma za zadanie motywować kierowców do

korygowania, stosowanego przez nich stylu jazdy.

Dane, na podstawie których można określić styl jazdy kierowcy mogą pochodzić

również z samego tachografu zamontowanego w pojeździe, wykonującym pracę

przewozową. Tego rodzaju urządzenie rejestruje dane dotyczące prędkości pojazdu,

przebytego odcinka drogi, czasu jazdy i pracy kierowcy, a także prędkości obrotowej

silnika (opcjonalnie). Dane pomiarowe mogą być zapisywane w postaci graficznej na

okrągłej tarczy (tachografy analogowe lub elektroniczne), bądź w pamięci urządzenia

(tachografy cyfrowe) – istnieje wtedy możliwość wydrukowania potrzebnych danych

[39].

- 34 -

Rys. 2.28. Asystent stylu jazdy firmy Punch Telematix – CarCube [33]

Inteligentne systemy transportowe – połączenie technologii informacyjnych

i komunikacyjnych z infrastrukturą transportową i pojazdami – są kolejnym przykładem

na to, jak można pozytywnie wpływać na sposób eksploatacji pojazdów, a tym samym

uzyskiwać korzyści ekologiczne i ekonomiczne (większa efektywność; rys. 2.29).

Ponadto zwiększają one bezpieczeństwo transportu, gdyż dostarczają wiele narzędzi do

zarządzania nim, począwszy od zaawansowanych systemów sterowania ruchem

z wykorzystaniem sygnalizacji świetlnej do systemów ostrzegania o wypadku.

Inteligentne systemy transportowe wpływają zatem na poprawę warunków

podróżowania, i to w zakresie multimodalnym – zajmując się prywatnymi

i publicznymi środkami transportu drogowego, morskiego oraz lotniczego. Od wielu lat

są wdrażane w Ameryce Północnej, Japonii oraz w zachodniej i północnej części

Europy [18].

Działanie współczesnych inteligentnych systemów transportowych jest

realizowane w trzech płaszczyznach. Pierwszą z nich jest infrastruktura, w której

zainstalowane elementy systemów ITS pozwalają na realizację wielu usług opisanych

normą ISO 14813. Do elementów tych należą m.in.: tablice informacyjne, synoptyczne

i znaki zmiennej treści, bramki poboru opłat, punkty automatycznej weryfikacji typu

i klasy pojazdów, radiolatarnie. Wymienione elementy najczęściej wchodzą

w interakcję z urządzeniami zainstalowanymi w pojazdach, a te stanowią drugą

płaszczyznę inteligentnych systemów transportowych.

Podstawowe urządzenia instalowane na pokładzie pojazdu to: systemy

nawigacyjne, systemy nadzoru pojazdu oraz jego ładunku. Aby zapewnić właściwą

interakcję z urządzeniami zainstalowanymi w infrastrukturze drogowej, pojazdy

wyposaża się w liczne czujniki. Przekazywanie informacji o pojeździe odbywa się

dzięki zastosowaniu modemów i nadajników teletransmisyjnych funkcjonujących

najczęściej w paśmie 900 MHz i 2,4 GHz [61].

Ostatnią płaszczyznę inteligentnych systemów transportowych stanowią aplikacje

i ośrodki zarządzające. Ich zadaniem jest przetwarzanie informacji, które są zbierane

z dwóch wcześniej opisanych płaszczyzn, i na podstawie tych informacji oddziaływanie

- 35 -

na kształtowanie potoku ruchu przez sterowanie elementami infrastruktury lub

urządzeniami pokładowymi pojazdów.

Jednym z najważniejszych zastosowań systemów ITS jest budowa

zaawansowanych systemów zarządzania ruchem drogowym (ATMS – Advanced Traffic

Management System). ATMS jest to zbiór technologii inteligentnych systemów

transportowych, zaimplementowanych w jednym systemie, które umożliwiają

monitorowanie i zarządzanie ruchem drogowym. Celem budowy tego rodzaju systemu

jest zwiększenie efektywności układu drogowego (głównie przepustowości

w wybranych przekrojach dróg).

Rozwiązania inteligentnych systemów transportowych można kształtować

zgodnie z potrzebami. Przykładowo jedni zarządcy dróg skupiają się na usprawnieniu

ruchu komunikacji publicznej, inni – na poprawie informacji o sytuacji drogowej lub

ochronie infrastruktury drogowej przed ruchem ciężkim i pojazdami przeładowanymi.

TELEMATYKA

TELEMATYKA TRANSPORTU

INTELIGENTNE SYSTEMY TRANSPORTOWE

APLIKACJE

Technologie komunikacyjne

Technologie informatyczne

Sterowanie i zarządzanie systemami oraz sieciami

transportowymi

Rys. 2.29. Geneza inteligentnych systemów transportowych [20]

Zastosowanie systemów wykorzystujących metody i środki ITS przyczynia się

między innymi do [61, 64]:

‒ zmniejszenia nakładów na infrastrukturę transportową, z uzyskaniem tych samych

efektów poprawy sprawności systemu, jak w przypadku budowy nowych

odcinków dróg (o 3035 %),

‒ zmniejszenia czasów podróży i zużycia energii (o 45–70 %),

‒ zmniejszenia emisji CO2 (m.in. z powodu zmniejszenia liczby zatrzymań

pojazdów i poprawy płynności ruchu),

‒ redukcji kosztów zarządzania taborem drogowym,

‒ redukcji kosztów związanych z utrzymaniem i renowacją nawierzchni,

‒ poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego (zmniejszenie liczby wypadków

o 40–80 %),

‒ poprawy komfortu podróżowania i warunków ruchu kierowców oraz pieszych,

- 36 -

‒ zwiększenia korzyści ekonomicznych w regionie (poprawa koniunktury

gospodarczej),

‒ zwiększenia przepustowości elementów sieci transportowych bez nowych

odcinków dróg (o 20–25 %).

Jednym z elementów, przynoszących największe korzyści, inteligentnego systemu

transportowego jest BRT (Bus Rapid Transit). Skrót ten oznacza system szybkiej

komunikacji autobusowej, będący dobrym sposobem na polepszenie warunków jazdy

autobusów miejskich na zatłoczonych ulicach miast (rys. 2.30). Dzięki

wykorzystywaniu autobusów przegubowych i dwuprzegubowych zapewnia

przewiezienie zwiększonej liczby pasażerów. Autobus przegubowy lub

dwuprzegubowy (rys. 2.31) zastępuje 100 samochodów osobowych i zajmuje tylko 5 %

ich powierzchni, a to daje miastu więcej przestrzeni na różne inwestycje (np. parki,

szkoły) [38].

BRT to kompletny system, w skład którego (oprócz autobusów) wchodzą

oddzielne pasy ruchu dla autobusów, kontrola natężenia ruchu oraz system informacji

dla pasażerów. W porównaniu z metrem lub kolejką naziemną, system BRT wymaga

mniejszych nakładów finansowych, przy krótszym czasie jego wprowadzenia.

Zapewnia on wiele korzyści: dla podróżnych oznacza przede wszystkim szybszy

przejazd dzięki wydzielonym pasom ruchu i pierwszeństwu przejazdu na

skrzyżowaniach.

Obecnie na świecie około 50 miast zastosowało (w różnym stopniu) systemy

BRT, a około 100 miast planuje wkrótce ich zastosowanie. Firmą, która intensywnie

promuje tego rodzaju systemy na świecie jest Volvo Buses. Pomogła ona przy rozwoju

pierwszego systemu szybkiej komunikacji autobusowej w Kurytybie (Brazylia) już w

roku 1975. Obecnie systemy BRT wprowadzone są w takich miastach, jak: Bogota

(Kolumbia), Mexico City (Meksyk), Göteborg (Szwecja) i Santiago (Chile). Średni czas

uruchomienia systemu szybkiej komunikacji autobusowej to 1218 miesięcy. Dzięki

systemowi BRT w Bogocie udało się zmniejszyć zużycie paliwa przez komunikację

miejską o 47 %. Zmniejszyła się również emisja tlenków azotu (o 65 %) oraz o 75 %

emisja cząstek stałych [38].

Rys. 2.30. System szybkiej komunikacji autobusowej BRT [94]

- 37 -

Rys. 2.31. Autobusy dwuprzegubowe stosowane w systemie BRT [38]

Współczesne tendencje usprawniania ruchu pojazdów w miastach skłaniają się

również w kierunku sztucznego generowania potoków ruchu i pełnej kontroli nad nimi

(tzw. inteligentna sygnalizacja świetlna). Jednym ze skutecznych sposobów jest

agregacja ruchu przez zsynchronizowanie ze sobą systemu sygnalizacji świetlnej na

wybranym ciągu ulic – tzw. zielona fala. Można wówczas założyć pewne

uprzywilejowanie wybranego kierunku ruchu, zapewniając mu priorytet w zakresie

długości trwania przejazdu w ciągu ulic ze skrzyżowaniami z sygnalizacją świetlną.

Ruch poprzeczny na ciągu skrzyżowań jest wówczas przyporządkowany wybranemu

kierunkowi ruchu. Proces agregacji ruchu może mieć charakter stały lub zmienny

(na przykład w obu kierunkach), zarówno w okresie całej doby, jak i wybranych pór

doby.

Innym rozwiązaniem wpływającym na usprawnienie, pod kątem zużycia paliwa

i emisji spalin, eksploatacji pojazdów silnikowych w miastach jest stosowanie zasad

eco-drivingu (rys. 2.33). Pojęcie tzw. eko-jazdy pojawiło się i funkcjonuje

w środowisku motoryzacyjnym stosunkowo niedawno. Jak twierdzą twórcy tego stylu

jazdy stosowanie w praktyce przez kierowców pewnych reguł (zasad) powinno

skutkować najmniejszym zużyciem paliwa, a jednocześnie w najmniejszym stopniu

wpływać na zanieczyszczenie środowiska.

Szkolenia z ekonomicznej i ekologicznej jazdy odbywają się na specjalnych

kursach. Przykładowo Poznań jako pierwsze miasto w Polsce, przeprowadził kursy

szkoleniowe w zakresie eco-drivingu dla swoich mieszkańców (2009 i 2010 rok; rys.

2.32). Szkoleniom poddawani są także kierowcy pracujący w tamtejszym miejskim

przedsiębiorstwie komunikacyjnym (MPK Poznań Sp. z o.o.) [95]. W niektórych

krajach nauka ekologicznego stylu jazdy stała się elementem szkolenia kandydatów na

kierowców, a jej znajomość jest sprawdzana podczas egzaminu na prawo jazdy.

Szeroka dostępność informacji na temat takiej techniki jazdy pozwala każdemu

kierowcy – we własnym zakresie – sprawdzić efekty eco-drivingu. O tym, jak ważny

jest sposób prowadzenia pojazdu przez kierowcę świadczą przykładowe wyniki badań

stanowiskowych (według testu NEDC), przeprowadzone w Instytucie Badań i Rozwoju

Motoryzacji BOSMAL w Bielsku-Białej [6].

- 38 -

Rys. 2.32. Materiały reklamowe dotyczące szkolenia mieszkańców

Poznania w zakresie eco-drivingu [90]

Jedną z istotniejszych rzeczy, na którą zwracają uwagę instruktorzy eko-jazdy jest

sposób rozpędzania pojazdu. Okres rozpędzania pojazdu, a ściślej jego dynamika,

odpowiada w głównej mierze za wielkość zużycia paliwa oraz ilość wyemitowanych

związków szkodliwych [7, 9, 13, 21]. Główne zasady eco-drivingu opierają się na

płynnej jeździe, ograniczaniu niepotrzebnych przyspieszeń i hamowań. Należy jeździć

na możliwie najwyższym biegu, przy możliwie najniższej prędkości obrotowej silnika.

Ważne jest także stosowanie hamowania silnikiem przez redukcję biegów – np.

w trakcie dojazdu do sygnalizatora świetlnego – w miejsce jazdy wybiegiem (bieg

luzem i jałowy silnika).

Rys. 2.33. Główne zagadnienia powiązane z pojęciem eco-drivingu [75–77]

- 39 -

Wskazania odnośnie do jazdy ekologicznej przedstawiane są szczegółowiej

w następujący sposób [87, 92, 97]:

‒ jazda na najwyższym możliwym biegu, na najniższej możliwej prędkości

obrotowej,

‒ przyspieszanie, jeśli warunki drogowe na to pozwalają, dynamiczne,

‒ unikanie zbędnego obciążenia pojazdu,

‒ nie stosowanie jazdy wybiegiem; jeśli planowane jest zatrzymanie lub

spowolnienie ruchu – jazda na biegu, bez naciskania pedału przyspieszenia (jeśli

będą na to warunki – redukcja biegów),

‒ uruchamianie silnika bez naciskania pedału przyspieszenia,

‒ ruszanie od razu, nie rozgrzewanie silnika na postoju (uruchomienie

i pozostawienie do czasu osiągnięcia warunków spełniających wymagany stan

cieplny) – zmniejszenie udziału tzw. zimnego rozruchu silnika,

‒ wyłączanie zbędnych odbiorników prądu,

‒ racjonalne i rozsądne używanie klimatyzacji,

‒ bycie przewidującym – unikanie zbędnych przyspieszeń i hamowań,

‒ wyłączanie silnika, jeśli przewidywane zatrzymanie pojazdu potrwa dłużej niż

30 s,

‒ ograniczanie oporów toczenia i aerodynamicznych, dbanie o właściwe ciśnienie

w oponach (rys. 2.34) i stan techniczny samochodu,

‒ planowanie podróży; wybieranie nawet trasy dłuższej, za to gwarantującej płynną

jazdę [54].

Rys. 2.34. Samochody o prawidłowej wartości ciśnienia

powietrza w oponach (dane z roku 2010) [96]

Założenia eco-drivingu po raz pierwszy sformułowano w Szwajcarii i Finlandii

w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych XX wieku. Kolejnymi krajami, w których

dość szybko znalazł zwolenników, były: Niemcy, Holandia, Szwecja i Norwegia [79].

Popularność stosowania zasad tego sposobu jazdy wśród kierowców stale się zwiększa.

Wzorem wielu krajów europejskich, także i w Polsce obserwuje się ostatnimi czasy

wzrost zainteresowania wskazówkami i wytycznymi, mającymi na celu m.in.

zmniejszenie zużycia paliwa przez pojazdy. W badaniach ankietowych w 2007 roku

- 40 -

12 % pytanych osób zadeklarowało, że jest przekonana o tym, iż eko-jazda może

zmniejszyć zużycie paliwa [2]. W listopadzie 2012 r. uważało tak już 26 %

ankietowanych. Ten 14-procentowy wzrost świadczy o tym, że świadomość

o eco-drivingu wciąż jest kwestią otwartą (rys. 2.35). Gorzej natomiast wygląda

stosowanie go w praktycznej jeździe.

Znajomość zasad eco-drivingu wśród polskich kierowców

Dostęp do wyników badań ankietowych

Określenie tendencji w stylu jazdy kierowców

Rys. 2.35. Metodyka postępowania w celu określenia tendencji w sposobie

prowadzenia pojazdów przez polskich kierowców

Z chwilą pojawienia się specjalistycznej, mobilnej aparatury naukowo-badawczej,

skonstruowanej tak, aby móc prowadzić badania drogowe pojazdów, możliwa stała się

weryfikacja korzyści wynikających ze stosowania zasad eco-drivingu poza laboratorium

– pomiary stanowiskowe. Badania pojazdów samochodowych pod kątem ekologii

eksploatacji mają znaczenie zwłaszcza w przypadku badań toksyczności spalin

w dynamicznych i nieustalonych warunkach pracy silnika. Mimo, iż podjęto się

odzwierciedlenia tych warunków w dynamicznych testach badawczych

(np. ETC – European Transient Cycle, WHTC – World Harmonized Transient Cycle),

nie oddają one jednak w pełni rzeczywistych warunków eksploatacji pojazdów różnych

kategorii homologacyjnych [65, 85, 86]. Dlatego też w ciągu ostatnich kilku lat

największy potencjał badawczy w środowisku motoryzacyjnym skoncentrowano

właśnie na badaniach drogowych pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu [81–83].

- 41 -

3. Cel, teza i zakres pracy

W celu sprostania pojawiającym się z coraz większą częstotliwością nowym

normom toksyczności spalin, stale poszukuje się rozwiązań wpływających na

zmniejszenie zużycia paliwa i emisję spalin, szczególnie w ruchu miejskim. Zużycie

paliwa przez pojazd poruszający się w mieście jest znacznie większe, w porównaniu

gdy porusza się on poza miastem. Wynika to m.in. z charakteru ruchu miejskiego,

cechującego się znacznym natężeniem pojazdów, co wpływa na ich częste

zatrzymywanie się i ruszanie. Pojazdy te poruszają się ponadto na niższych biegach

(ograniczenia prędkości i jazda podczas kongestii), co dodatkowo niekorzystnie wpływa

na ekonomię paliwową. Stąd podejmuje się prace mające na celu ograniczenie

spalanego paliwa przez pojazdy. Można to uczynić m.in. przez usprawnienie transportu

miejskiego (system ITS, BRT, zielone fale) lub zmniejszenie strat energii (hybrydyzacja

napędów).

Mimo, iż sprzedawane i nowo rejestrowane samochody są wyposażane w coraz

bardziej dopracowane konstrukcyjnie i ekologiczne jednostki napędowe (dzięki

rozbudowanym układom oczyszczania spalin spełniającym z zapasem najnowszą normę

emisji Euro 6), konieczne jest jednak poszukiwanie nowych sposobów na ograniczenie

niekorzystnego oddziaływania tych samochodów na środowisko (rys. 3.1). Jest to

możliwe zwłaszcza w czasie wykonywania badań w warunkach rzeczywistego ruchu po

drogach. W rzeczywistej eksploatacji, w porównaniu do badań stanowiskowych

prowadzonych w warunkach ściśle określonych, można pozyskać bowiem więcej

niezbędnych informacji przydatnych do optymalizacji układu napędowego pod

względem ograniczenia jego szkodliwego oddziaływania na środowisko naturalne [44,

47, 49]. Takie badania są cenne nie tylko z punktu widzenia konstruktorów pojazdów

i silników, lecz także bezpośrednich użytkowników pojazdów – stosowanie zasad

eco-drivingu – mogących przyczynić się w dużym stopniu do zmniejszenia zużycia

paliwa przez pojazd oraz emisji substancji szkodliwych, w tym głównie NOx, PM

i CO2.

0

1000

2000

3000

0 1000 2000 3000 4000

OSZ

CZĘ

DN

OŚĆ

PA

LIW

A*

[eu

ro]

KOSZTY ŚRODKÓW TECHNICZNYCH [euro]

+ poprawa gospodarki energią cieplną, inteligentne sterowanie alternatorem, system start-stop, downsizing (129 g/km)

typowy silnik ZS (5,4 dm3/100 km, 143 g/km)

+ pełna hybryda, ograniczenie liczby cylindrów (105 g/km)

typowy silnik ZI, downsizing, poprawa gospodarki energią cieplną, inteligentne sterowanie alternatorem, układ zmiennych faz rozrządu, pełna hybryda (126 g/km)

+ układ zmiennych faz rozrządu

typowy silnik ZI + poprawa gospodarki energią cieplną, inteligentne sterowanie alternatorem

typowy silnik ZI (7,7 dm3/100 km, 185 g/km)

+ bezp. wtrysk paliwa, turbodoładowanie, downsizing, system start-stop (139 g/km)

GRANICA OPŁACALNOŚCI

* samochód klasy średniej, Vss = 2,0 dm3,

masa własna 1600 kg, eksploatacja przez 3 lata,

przebiegi średnio 15000 km rocznie

Rys. 3.1. Wpływ techniki na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla [89]

- 42 -

Wiele ośrodków i firm prowadzących szkolenia z zakresu jazdy ekologicznej

i ekonomicznej (oprócz tego także jazdy bezpiecznej oraz po bezdrożach – tzw.

off-road’owej) w swoich materiałach jako jedną z korzyści stosowania zasad

eco-drivingu przez kierowcę podaje określone procentowe zmniejszenie zużycia paliwa,

obarczone przy tym dość dużą niedokładnością pomiarową. Natomiast brak jest

informacji o toksycznych składnikach spalin – podaje się, że się zmniejszają, nie

podając jednak konkretnych wartości. Stąd wydało się więc konieczne przeprowadzenie

weryfikacji zakładanych korzyści wynikających ze stosowania zasad eco-drivingu,

w oparciu o dostępną (od niedawna) mobilną aparaturę badawczą umożliwiającą

stosowne pomiary. Należy przy tym wspomnieć, że badania emisji substancji

szkodliwych z silników napędzających pojazdy w rzeczywistych warunkach ich

eksploatacji (a nie tylko w warunkach laboratoryjnych w trakcie tzw. homologacji typu)

z wykorzystaniem aparatury mobilnej są nowością w skali światowej. Obecnie niewiele

ośrodków badawczych i badawczo-rozwojowych oraz jednostek naukowych dysponuje

konieczną dla realizacji takich badań aparaturą.

Powyższe spostrzeżenia stały się podstawą do sformułowania głównego celu

pracy, którym jest:

Określenie wpływu stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa

i emisję substancji szkodliwych w spalinach

Podjęcie tego zagadnienia w niniejszej pracy było spowodowane niewystarczającą

wiedzą o wpływie samego zachowania kierowców (stosowanego przez nich sposobu

jazdy) na emisję szkodliwych składników spalin oraz zużycie paliwa. Sformułowany

główny cel pracy wynika m.in. z potrzeb przedsiębiorstw (w tym komunikacyjnych)

posiadających duże floty pojazdów i wykazujących popyt na szkolenia z zakresu jazdy

ekologicznej i ekonomicznej.

Celem dodatkowym niniejszej dysertacji jest weryfikacja zasad eco-drivingu.

Podstawowe pytania badawcze są następujące:

1) W jaki sposób należy rozpędzać pojazd aby minimalizować zużycie paliwa oraz

emisję zanieczyszczeń gazowych i stałych?

2) Jak należy prowadzić pojazd silnikowy by minimalizować emisję spalin i zużycie

paliwa?

3) W jaki sposób należy hamować pojazdem, w celu uzyskania możliwie

najmniejszych strat energii oraz największych korzyści ekologicznych?

Cel pracy uzna się za osiągnięty, gdy uzyska się odpowiedzi na postawione

pytania badawcze. Jako podstawowe kryterium oceny należy przyjąć wartości

parametrów eksploatacyjnych podczas rzeczywistych warunków ruchu pojazdów.

Wartości tych parametrów w porównaniu z odpowiadającymi im wartościami emisji

drogowej substancji szkodliwych w spalinach, uzyskanymi podczas przejazdów,

pozwolą określić kierunek możliwości poprawy emisyjności pojazdów w eksploatacji.

- 43 -

W ramach określonych celów pracy – głównego i dodatkowego – będą

zrealizowane następujące cele szczegółowe:

‒ wyznaczenie kryteriów oceny stylu jazdy kierowców,

‒ określenie wpływu wyznaczonych kryteriów na emisję dwutlenku węgla oraz

innych substancji szkodliwych zawartych w spalinach,

‒ opracowanie zaleceń dotyczących ekologicznej i ekonomicznej eksploatacji

pojazdów silnikowych.

Doświadczalna ocena wpływu ekologicznego i ekonomicznego stylu jazdy

kierowcy na środowisko naturalne – główny cel naukowy przedmiotowej pracy

doktorskiej – pozwoli w efekcie końcowym na wykazanie (bądź nie) słuszności

i korzystności stosowania zasad eco-drivingu podczas prowadzenia pojazdów

mechanicznych. Stało się to możliwe dzięki pomiarom zużycia paliwa i emisji

substancji szkodliwych w spalinach, przeprowadzonym w rzeczywistych warunkach

ruchu (eksploatacji) tych pojazdów – w tzw. warunkach drogowych.

Badania będą polegały na jednoczesnym prowadzeniu dwóch typów pomiarów:

toksyczności spalin oraz przy wykorzystaniu pokładowego rejestratora parametrów

ruchu pojazdu (określanie dynamiki ruchu). Gromadzenie danych będzie prowadzone

z wykorzystaniem odpowiednio dobranych urządzeń pomiarowo-rejestrujących.

Badania będą wykonywane w warunkach ruchu miejskiego, pozamiejskiego oraz

autostradowego, z wykorzystaniem pojazdów badawczych różnych kategorii

homologacyjnych.

Mając na uwadze przedstawione w pracy aspekty oraz zagadnienia podjęto próbę

udowodnienia tezy:

Możliwe jest zmniejszenie emisji drogowej substancji szkodliwych

w spalinach oraz zużycia paliwa przez pojazd

przy wykorzystaniu zasad eco-drivingu

Sposób rozwiązania problemu naukowego i zakres pracy przedstawiono

schematycznie na rys. 3.2. Zgodnie z zamierzeniem autora, wyznaczone zależności,

dotyczące wpływu stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję szkodliwych

składników spalin, powinny stanowić wymierną wiedzę wykorzystywaną np. w trakcie

szkolenia kierowców według zasad ekologicznej i ekonomicznej jazdy oraz do

popularyzacji tego sposobu eksploatacji pojazdów silnikowych.

Na potrzeby realizacji pracy przyjęto pewne założenia i określono następujące

ograniczenia:

‒ w analizie pominięto niektóre zasady eco-drivingu; nie określono m.in.: wpływu

wartości ciśnienia w oponach, użytkowania klimatyzacji oraz przewożenia

dodatkowych rzeczy (relingi dachowe, rowery, narty, ładunek w bagażniku itp.)

na emisję spalin i zużycie paliwa przez pojazd,

‒ badaniom poddano jedynie pojazdy samochodowe o zastosowaniu drogowym

(kategorii homologacyjnej M i N), natomiast nie przeprowadzono pomiarów

toksyczności spalin dla pojazdów o innym zastosowaniu niż do trakcji drogowej –

typu non-road,

- 44 -

‒ badaniom poddano jedynie pojazdy wyposażone w manualne skrzynie

przekładniowe – większa możliwość wpływania przez kierowcę na sposób

poruszania się pojazdem niż w przypadku skrzyń zautomatyzowanych

i automatycznych,

‒ w celu zminimalizowania mogących się pojawić rozbieżności w wynikach

pomiarów – różnice w sterowaniu pojazdem – ograniczono się jedynie do dwóch

kierowców testowych, posiadających kilkunastoletnie doświadczenie

w prowadzeniu pojazdów samochodowych,

‒ w pracy, dla łatwiejszej analizy sporządzonych wykresów, przedstawiono tylko

wybrane wyniki pomiarów emisji spalin i zużycia paliwa pozyskane w trakcie

jazd testowych – dla reprezentatywnych przejazdów; część z zaprezentowanych

wartości emisji spalin i zużycia paliwa jest wynikiem uśredniania z kilku

(kilkunastu) prób,

‒ w analizie stylu jazdy kierowcy uwzględniane będzie wyłącznie przyspieszenie

pojazdu w osi wzdłużnej x, natomiast nie będą brane pod uwagę przyspieszenia

w pozostałych osiach (poprzecznej y i pionowej z).

- 45 -

Postawienie problemu

Analiza możliwości zmniejszenia emisji substancji szkodliwych

w spalinach pojazdów samochodowych

Analiza obecnie stosowanych sposobów wpływających

na poprawę ekologiczności eksploatacyjnej pojazdów:

– rozbudowane układy oczyszczania spalin,

– zmiany konstrukcyjne w silnikach,

– wprowadzanie napędów alternatywnych,

– zmiana sposobu eksploatacji – eco-driving.

Definicja różnych stylów jazdy – kryteria

Metodyka badań

Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu

Anal

iza

teore

tycz

na

i li

tera

turo

wa

Gen

eza

Bad

ania

eksp

erym

enta

lne

Wnio

ski

1

2

3

4

5

8

Struktura pracy: Rozdziały:

Cel, teza i zakres pracy

Wykorzystanie pokładowych

rejestratorów parametrów ruchu

Metody badawcze stosowane

w warunkach pozatestowych

Badania w rzeczywistych warunkach ruchu

Badania pojazdów

lekkich

Badania pojazdów

ciężkich

Określenie wpływu stylu jazdy kierowcy

na emisję spalin i zużycie paliwa

Propozycja zaleceń dotyczących sposobu jazdy

Podsumowanie, wnioski i kierunki dalszych badań 9

6

7

Rys. 3.2. Schemat rozwiązania postawionego celu naukowego pracy

- 46 -

4. Kryteria oceny stylu jazdy kierowcy

4.1. Wykorzystanie danych z pokładowych rejestratorów

parametrów ruchu pojazdów

Jako narzędzie w procesie ilościowego oznaczania dynamiki jazdy kierowcy

wykorzystano pokładowy rejestrator parametrów ruchu pojazdu (w dalszej części pracy

będzie skrócony zapis: pokładowy rejestrator). Pokładowy rejestrator (tzw. czarna

skrzynka) to urządzenie, które rejestruje charakterystyczne dane opisujące stan pojazdu

wykonującego zadanie transportowe oraz manewry wykonywane przez kierowcę.

Dla realizacji celów pracy wykorzystano urządzenie o roboczej nazwie Merex,

wyprodukowane przez firmę Automex Sp. z o.o. Merex jest mikroprocesorowym

systemem służącym do pomiaru wartości przyspieszenia. Zabudowane w urządzeniu

czujniki umożliwiają rejestrację wartości chwilowej przyspieszenia w osi wzdłużnej

x, poprzecznej y i pionowej z. Zakres pomiarowy akcelerometrów wynosi ±10 m/s2,

a rozdzielczość pomiaru wynosi ±0,01 m/s2. Rejestratora nie wyposażono w układy

kompensujące zmianę pochylenia bryły pojazdu związane z geometrią drogi [57, 73].

Przedmiotowe urządzenie zaprogramowano do rejestrowania danych

z częstotliwością 10 Hz, a dane są zapisywane w wewnętrznej pamięci urządzenia (jej

pojemność wynosi 140 MB). W zależności od wersji wyposażenia odczyt danych

możliwy jest bezpośrednio na wyświetlaczu lub wyłącznie na komputerze. Na rysunku

4.1a zaprezentowano urządzenie z wbudowanym ekranem ciekłokrystalicznym, zasilane

za pomocą zestawu akumulatorów. Urządzenie to jest dodatkowo wyposażone

w klawiaturę, która umożliwia jego programowanie. Na rysunku 4.1b przedstawiono

natomiast urządzenie nie wyposażone w ekran, które jest zasilane z instalacji

elektrycznej pojazdu. Programowanie urządzenia możliwe jest tylko za pomocą

programu zainstalowanego w komputerze.

a) b)

Rys. 4.1. Widok rejestratora Merex, wyposażonego w ekran (a) i bez ekranu (b)

Konfiguracja wykorzystanego w badaniach pokładowego rejestratora parametrów

ruchu pojazdu umożliwia zapis danych w tzw. trybie rejestracji ciągłej z około

- 47 -

kilkunastu godzin podróży. Osoba obsługująca ma możliwość zaprogramowania

urządzenia w taki sposób, aby zapis był uruchamiany po przekroczeniu określonej

wartości przyspieszenia – wówczas odpowiednio wydłużają się możliwości związane

z okresem rejestracji. Do zestawu pomiarowego urządzenia Merex dodatkowo

dołączono odbiornik GPS firmy Garmin. Dzięki niemu możliwe jest określenie

współrzędnych pojazdu w każdej chwili trwania pomiaru oraz wyznaczenie jego

prędkości chwilowej.

Do ważniejszych zalet stosowania pokładowego rejestratora można zaliczyć [22,

73, 74]:

‒ rejestracja parametrów jazdy,

‒ definicja progów początku rejestracji (np. dla a > 0,1 m/s2),

‒ wizualizacja przyspieszenia na mapie drogowej miasta,

‒ umiejscowienie zdarzenia wraz z analizą czasową przed i po nim,

‒ możliwość rejestracji również innych parametrów (m.in. OBD, CAN – Controller

Area Network),

‒ weryfikacja prędkości jazdy pojazdu,

‒ określenie stylu jazdy kierowcy,

‒ ocena stanu zawieszenia i układu napędowego pojazdu.

Informacje na temat parametrów ruchu pojazdu mogą być zapisywane w pamięci

pokładowego rejestratora na podstawie danych odbieranych z kilku źródeł. Można je

sklasyfikować w trzech podstawowych grupach [59]:

– czujniki własne rejestratora – stanowią one składową część urządzenia,

– pokładowe systemy diagnostyczne pojazdu,

– urządzenia zewnętrzne – do tej grupy należą niezależne od rejestratora

i pokładowego systemu diagnostycznego pojazdu przyrządy lub urządzenia,

których funkcja i budowa umożliwia odczytanie określonych parametrów.

Czujniki wewnętrzne są podstawowym źródłem danych. Dzięki nim możliwe jest

określenie parametrów ruchu pojazdu, a także otoczenia. Wśród nich można wymienić

m.in. czujniki: przyspieszenia liniowego (akcelerometry), przyspieszenia kątowego

(żyroskopy), temperatury, wilgotności. Zaletą tego źródła danych jest to, że niezależnie

od rodzaju obiektu na jakim ma być zainstalowany pokładowy rejestrator, grupa

parametrów mierzonych przez to źródło jest zawsze dostępna do rejestracji przez

urządzenie.

Kolejnym źródłem informacji dla rejestratora parametrów ruchu pojazdu są dane

uzyskiwane z jego pokładowego systemu diagnostycznego. Mogą być one pobierane

zarówno z systemów stosowanych w samochodach osobowych i lekkich dostawczych

(standardy OBDII i EOBD – European On-Board Diagnostics), jak i z systemów

stosowanych w autobusach i samochodach ciężarowych (np. SAE J1939).

Do najważniejszych urządzeń zewnętrznych, z których dane mogą być

wykorzystane przez pokładowy rejestrator, należą systemy nawigacji satelitarnej GPS.

Inną grupą urządzeń, zaliczanych do tego źródła informacji, są urządzenia komunikacji

bezprzewodowej GSM. Po ich podłączeniu możliwa jest wymiana informacji między

urządzeniami rejestrującymi, a na przykład właścicielem floty pojazdów.

- 48 -

4.2. Zdefiniowanie stylów jazdy kierowcy

Do kryteriów oceny stylu jazdy kierowcy zaliczono m.in. sposób:

‒ przyspieszania pojazdem – dynamika,

‒ jazdy, w tym na odpowiednim przełożeniu w skrzyni przekładniowej,

z odpowiednią prędkością obrotową silnika,

‒ hamowania pojazdem.

Następnie, na podstawie wstępnych badań drogowych oraz literatury, określono

tzw. indeks agresywności jazdy (Iagr). Dokonano tego między innymi przy

wykorzystaniu danych z pokładowego rejestratora parametrów ruchu pojazdu. Indeks

agresywności jazdy określono odrębnie dla dwóch grup pojazdów – wyposażonych

w silniki ZI oraz ZS (rys. 4.1). Obliczono go na podstawie następujących zależności [8,

16]:

1) dla pojazdów z silnikami ZI:

Iagr = ‒0,17 + 0,55 · aśr + 0,006 · t>2000 (4.1)

gdzie:

aśr – przyspieszenie średnie (tylko dodatnie) [m/s2],

t>2000 – udział czasu pracy silnika z prędkością obrotową ponad 2000 obr/min [%],

2) dla pojazdów z silnikami ZS:

Iagr = 0,00158 · t1b + 0,00205 · t2b + 0,00148 · t>1850 + 0,582 · aśr (4.2)

gdzie:

t1b – udział czasu jazdy na pierwszym biegu [%],

t2b – udział czasu jazdy na drugim biegu [%],

t>1850 – udział czasu pracy silnika z prędkością obrotową ponad 1850 obr/min [%],

aśr – przyspieszenie średnie (tylko dodatnie) [m/s2].

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Śre

dn

ie p

rzys

pie

sze

nie

aśr

[m/s

2]

Indeks agresywności jazdy Iagr [‒]

pojazd z silnikiem ZI pojazd z silnikiem ZS

Rys. 4.1. Indeks agresywności jazdy określony na podstawie badań wstępnych

- 49 -

Na podstawie przyjętych kryteriów oceny stylu jazdy kierowcy oraz określonego

indeksu agresywności jazdy, zdefiniowano trzy takie style. Zostały one określone jako:

eco-driving, jazda normalna, jazda agresywna (rys. 4.2).

STYL JAZDY KIEROWCY

Eco-driving Jazda agresywna

Jazda normalna

Rys. 4.2. Zdefiniowane style jazdy na potrzeby realizacji pracy

Definicje poszczególnych sposobów eksploatacji pojazdu przyjęto następująco

(tab. 4.1):

‒ eco-driving – umiarkowane przyspieszanie, jazda w miarę możliwości na 5. biegu

(najwyższym), hamowanie silnikiem – redukcja biegów w trakcie np. dojazdu do

sygnalizatora świetlnego,

‒ jazda normalna – powolne przyspieszanie, jazda maksymalnie na 4. biegu,

stosowanie jazdy wybiegiem (bieg luzem i jałowy silnika) w trakcie np. dojazdu

do sygnalizatora świetlnego,

‒ jazda agresywna – dynamiczne przyspieszanie, jazda maksymalnie na 4. biegu,

dojazd do sygnalizatora świetlnego – hamowanie z dużej prędkości w końcowej

fazie dojazdu.

Tabela 4.1. Charakterystyka zdefiniowanych sposobów jazdy

Kryterium Styl jazdy kierowcy

eco-driving jazda normalna jazda agresywna

Przyspieszanie umiarkowane wolne szybkie

Zmiana biegu przy n

[obr/min]1

silnik ZI silnik ZS2 silnik ZI silnik ZS silnik ZI silnik ZS

2400 1900 2400–

2900

1900–

2400 2900 2400

Maksymalna liczba

stosowanych biegów 5 4 4

Hamowanie redukcja biegów jazda wybiegiem nagłe,

z dużej prędkości

Indeks agresywności

jazdy Iagr [–] 0,4 0,4–0,6 0,6

1 – Podane wartości mogą się nieznacznie zmieniać w przypadku niektórych obiektów badań.

2 – W przypadku silników ZS typu HDD przyjęto odpowiednio: < 1400, 1400–1700, > 1700.

W kwestii maksymalnego stosowanego biegu w trakcie jazdy wyjątek stanowi

kilka pojazdów o większej liczbie przełożeń w skrzyni biegów, głównie z grupy HDV

(Heavy Duty Vehicle). W przypadku jazdy normalnej i agresywnej stosowano

maksymalnie o jeden bieg mniej (możliwy do zastosowania w danych warunkach

ruchu), niż w przypadku jazdy według zasad eco-drivingu.

- 50 -

5. Metodyka badań

5.1. Obiekty badań

Obiektami badań były pojazdy mechaniczne napędzane silnikami ZI i ZS, w tym

jeden o napędzie alternatywnym. W przeważającej części były to pojazdy lekkie –

samochody osobowe i lekkie samochody użytkowe – o masie własnej

nieprzekraczającej 2610 kg (do normy Euro 5 o dopuszczalnej masie całkowitej dmc

poniżej 3500 kg). Wykonano też pomiary w odniesieniu do pojazdów ciężkich –

o masie własnej przekraczającej 2610 kg (do Euro V – dmc powyżej 3500 kg).

Konkretyzując, badaniami objęte były trzy rodzaje pojazdów silnikowych:

‒ samochody osobowe,

‒ lekkie samochody użytkowe (samochody dostawcze),

‒ samochody ciężarowe, w tym zestaw drogowy (ciągnik siodłowy i naczepa).

Badania w rzeczywistych warunkach eksploatacji wykonano przy wykorzystaniu

kilku samochodów osobowych (typu PC – Passenger Car). Były to m.in.: Skoda Fabia

hatchback z 4-cylindrowym silnikiem ZI o objętości skokowej 1,4 dm3 oraz Skoda

Fabia kombi z silnikiem ZS o objętości skokowej 1,9 dm3 (rys. 5.1). Pozostałe dane

techniczne jednostek napędowych badanych pojazdów zamieszczono w tabeli 5.1.

W skład układu napędowego samochodów badawczych wchodziła również 5-biegowa

skrzynia przekładniowa. Obiekty badań były wyposażone w układy oczyszczania spalin

typu trójfunkcyjny reaktor katalityczny (TWC – Three Way Catalyst) – Fabia ZI oraz

utleniający reaktor katalityczny (DOC – Diesel Oxidation Catalyst) – Fabia ZS.

a) b)

c) d)

Rys. 5.1. Obiekty badań – pojazdy typu PC: a) Skoda Fabia hatchback, b) Skoda Fabia kombi,

c) Volkswagen Passat kombi, d) Honda CR-Z

- 51 -

Pojazdy PC2 (Skoda Fabia) i PC4 (Volkswagen Passat) charakteryzowały się

zbliżonymi układami napędowymi. Ten drugi obiekt badań również był pojazdem typu

kombi, który wyposażono w 4-cylindrowy silnik ZS o objętości skokowej 1,9 dm3. Poza

tym jednostka napędowa badanego samochodu także była wyposażona tylko

w utleniający reaktor katalityczny DOC, natomiast nie był zainstalowany filtr cząstek

stałych typu DPF (Diesel Particulate Filter).

Badania drogowe emisji spalin i zużycia paliwa wykonano również na lekkim

pojeździe z napędem alternatywnym – samochód osobowy wyposażony w napęd

hybrydowy (rys. 5.1d). Układ napędowy tego samochodu (Honda CR-Z) składa się

głównie z silnika spalinowego ZI o objętości skokowej 1,5 dm3 o mocy 84 kW oraz

silnika elektrycznego o mocy około 10 kW. W przypadku tego typu rozwiązania (tzw.

mild hybrid) silnik elektryczny wspomaga tylko pracę jednostki spalinowej; w układzie

tym nie ma możliwości napędu samochodu tylko ze źródła elektrycznego. Ważne jest

to, że w pojeździe badawczym podczas hamowania odzyskiwana jest energia

i magazynowana w akumulatorach – typu Ni-MH, o możliwości gromadzenia energii

równej 5,75 A·h – oraz że jest on wyposażony w system start-stop.

Tabela 5.1. Podstawowe dane techniczne jednostek napędowych badanych samochodów osobowych

Parametr

PC1 PC2 PC3 PC4 PC5

Skoda Fabia

hatchback

Skoda Fabia

kombi

Volkswagen

Golf GTI

Volkswagen

Passat

kombi

Honda

CR-Z

Silnik – rodzaj

zapłonu ZI ZS ZI ZS ZI

Liczba cylindrów R4 R4 R4 R4 R4

Objętość skokowa

[dm3]

1,4 1,9 1,8 1,9 1,5

Układ wtryskowy

wielo-

punktowy

MPI

pompo-

wtryskiwacze

PDE

wielo-

punktowy

MPI

pompo-

wtryskiwacze

PDE

wielo-

punktowy

MPI

Moc maksymalna

[kW/KM]

przy prędkości

obrotowej [obr/min]

50/68

5000

74/101

4000

110/150

5700

66/90

4000

84/114

6100

Maksymalny

moment obrotowy

[N·m] przy

prędkości

obrotowej [obr/min]

120

2500

240

1800

210

1750

202

1900

145

4800

Doładowanie/rodzaj nie/– tak/turbo-

sprężarkowe

tak/turbo-

sprężarkowe

tak/turbo-

sprężarkowe nie/–

Układ oczyszczania

spalin

reaktor

katalityczny

TWC

reaktor

katalityczny

utleniający

DOC

reaktor

katalityczny

TWC

reaktor

katalityczny

utleniający

DOC

reaktor

katalityczny

TWC

Skrzynia

przekładniowa

manualna,

5-biegowa

manualna,

5-biegowa

manualna,

5-biegowa

manualna,

5-biegowa

manualna,

6-biegowa

Masa własna [kg] 1065 1190 1270 1300 1236

Objętościowy

wskaźnik mocy

[kW/dm3]

35,7 39,0 61,1 34,7 56,0

- 52 -

W przypadku lekkich pojazdów użytkowych typu LDV (Light Duty Vehicle) do

badań wykorzystano m.in. samochód dostawczy Citroën Berlingo w wersji osobowej

z 4-cylindrowym silnikiem ZS o objętości skokowej 2,0 dm3 (rys. 5.2a). Pozostałe dane

techniczne jego jednostki napędowej zamieszczono w tabeli 5.2. Obiekt badań

wyposażony był w manualną, 5-biegową skrzynię przekładniową. Pojazd ten był

ponadto wyposażony w układ oczyszczania spalin typu DOC. Masa własna wybranego

do pomiarów samochodu użytkowego nie przekracza 2610 kg. Należy on zatem do

grupy pojazdów podlegających badaniom homologacyjnym na podwoziowym

stanowisku dynamometrycznym – hamowni podwoziowej – według europejskiego

cyklu jezdnego NEDC.

Badaniom poddano również trzy inne samochody użytkowe typu LDV. Były

nimi: Peugeot Expert, Volkswagen Transporter T5 i Fiat Doblo. Dwa pierwsze

charakteryzowały się zbliżonymi wymiarami zewnętrznymi i dopuszczalną ładownością

(odpowiednio: 800 i 939 kg) oraz były napędzane 4-cylindrowymi silnikami o zapłonie

samoczynnym. Główne różnice były związane z rodzajem zamontowanego układu

oczyszczania spalin oraz parametrami eksploatacyjnymi jednostek napędowych (tab.

5.2).

a) b)

c) d)

Rys. 5.2. Obiekty badań – pojazdy typu LDV: a) Citroën Berlingo,

b) Peugeot Expert, c) Volkswagen Transporter T5, d) Fiat Doblo

- 53 -

Tabela 5.2. Dane techniczne badanych samochodów dostawczych

Parametr

LDV1 LDV2 LDV3 LDV4

Citroën

Berlingo

Peugeot

Expert

Volkswagen

Transporter

T5

Fiat

Doblo

Silnik – rodzaj

zapłonu ZS ZS ZS ZS

Liczba cylindrów R4 R4 R4 R4

Objętość skokowa

[dm3]

2,0 1,9 2,0 1,9

Układ wtryskowy common rail pompa

rotacyjna common rail common rail

Moc maksymalna

[kW/KM]

przy prędkości

obrotowej [obr/min]

66/90

4000

68/92

4000

75/102

3500

77/105

4000

Maksymalny

moment obrotowy

[N·m] przy

prędkości obrotowej

[obr/min]

205

1900

196

2250

250

1500‒2500

205

1750

Doładowanie/rodzaj tak/turbo-

sprężarkowe

tak/turbo-

sprężarkowe

tak/turbo-

sprężarkowe

tak/turbo-

sprężarkowe

Skrzynia

przekładniowa

manualna,

5-biegowa

manualna,

5-biegowa

manualna,

5-biegowa

manualna,

5-biegowa

Układ oczyszczania

spalin

reaktor

katalityczny

DOC

– filtr cząstek

stałych DPF

reaktor

katalityczny

DOC

Masa własna [kg] 1306 1400 1861 1320

Objętościowy

wskaźnik mocy

[kW/dm3]

33,0 35,8 37,5 40,5

Jednym z pojazdów ciężkich typu HDV, które poddano badaniom

w rzeczywistych warunkach ruchu był samochód użytkowy MAN TGL (rys. 5.3 i 5.4).

Do napędu tego dystrybucyjnego samochodu ciężarowego o dopuszczalnej masie

całkowitej wynoszącej prawie 12 000 kg służy 6-cylindrowy silnik ZS o objętości

skokowej 6,9 dm3 (tab. 5.3). W codziennej eksploatacji przedmiotowy pojazd jest

wykorzystywany do przewozu ładunków o masie do około 6000 kg. Jako że

dopuszczalna masa całkowita wybranego do pomiarów samochodu ciężarowego

przekracza 3500 kg, należy on do grupy pojazdów podlegających badaniom

homologacyjnym na silnikowym stanowisku dynamometrycznym według europejskich

testów ESC (European Stationary Cycle) oraz ETC. Pojazd na potrzeby badań

częściowo obciążono ładunkiem, tak aby odzwierciedlić codzienne zadania

przewozowe, jakim jest poddawany – dostarczanie towarów np. do ośrodków

handlowych. Obiekt badań był wyposażony w dwa układy oczyszczania spalin. Na

spełnienie normy emisji spalin EEV przez pojazd pozwalają: układ recyrkulacji spalin

EGR oraz MAN PM-Kat – filtr cząstek stałych.

- 54 -

Rys. 5.3. Pojazdy typu HDV przygotowane do badań drogowych

Rys. 5.4. Zestaw drogowy poddawany badaniom emisji spalin

Tabela 5.3. Dane techniczne badanych samochodów ciężarowych

Parametr HDV1 HDV2 HDV3

MAN TGL Scania 94G 220 Scania R

Silnik – rodzaj zapłonu ZS ZS ZS

Liczba cylindrów R6 R6 R6

Objętość skokowa

[dm3]

6,9 9,0 11,7

Układ wtryskowy common rail pompa rzędowa

pompo-

wtryskiwacze

PDE

Moc maksymalna

[kW/KM]

przy prędkości

obrotowej [obr/min]

184/250

2300

162/220

2000

309/420

1900

Maksymalny moment

obrotowy [N·m]

przy prędkości

obrotowej [obr/min]

1000

1100–1750

1000

1300

2100

1000–1350

Doładowanie/rodzaj tak/turbo-

sprężarkowe

tak/turbo-

sprężarkowe

tak/turbo-

sprężarkowe

Skrzynia

przekładniowa

manualna,

8-biegowa

manualna,

8-biegowa

manualna,

12-biegowa

Układ oczyszczania

spalin

EGR i MAN

PM-Kat – –

Masa własna [kg] 6000 9400 7700

Ładowność [kg] ok. 6000 8600 –

Objętościowy wskaźnik

mocy [kW/dm3]

26,7 18,0 26,4

HDV1 HDV2

HDV3 HDV3

- 55 -

Badania emisji spalin i zużycia paliwa przeprowadzono w trzech etapach. Na

początku wykonano pomiary w odniesieniu do samochodów osobowych. W dalszej

części realizacji pracy doktorskiej pomiarom emisji substancji toksycznych w spalinach

poddano lekkie samochody użytkowe oraz – w trzecim etapie – samochody ciężarowe.

Dla wszystkich typów pojazdów pomiary emisyjności spalin były wykonywane według

analogicznego schematu. Najpierw były realizowane przejazdy, po uprzednio

wyznaczonej trasie o różnej charakterystyce, bez ingerencji w styl jazdy kierowcy,

a następnie z uwzględnieniem przez kierowcę zasad ekologicznego i ekonomicznego

stylu jazdy. Należy tutaj zaznaczyć, iż pomiary w rzeczywistych warunkach

eksploatacji rozpoczynano, gdy temperatura cieczy chłodzącej jednostki napędowe

pojazdów badawczych wynosiła ponad 85ºC. Uzyskane wyniki pomiarów, po

odpowiedniej obróbce i analizie, umożliwiły ocenę korzystności stosowania stylu jazdy

określanego mianem eco-drivingu.

- 56 -

5.2. Aparatura do pomiarów zużycia paliwa i emisji substancji

szkodliwych w spalinach

Pomiary zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin, przeprowadzone

w ramach realizacji pracy, wymagały zastosowania specjalistycznej aparatury do badań

toksyczności spalin. Z racji charakteru wykonywanych badań – w warunkach

rzeczywistej eksploatacji pojazdów – użyta została mobilna aparatura badawcza typu

PEMS (Portable Emissions Measurement System) [17, 67, 68]. Posiadanie tego rodzaju

aparatury badawczej pozwoliło na określenie składu spalin oraz sprawności

przetwarzania przez silniki energii chemicznej pochodzącej z paliwa (wartości zużycia

paliwa przez pojazdy).

Do pomiarów wykorzystana została następująca aparatura:

‒ analizator do badań toksyczności spalin SEMTECH-DS firmy Sensors Inc.

(Sensors) – pomiar stężenia związków gazowych,

‒ analizator do badań emisji cząstek stałych SEMTECH-LAM (Laser Aerosol

Monitor) firmy Sensors – pomiar stężenia i masy cząstek stałych,

‒ Micro Soot Sensor firmy AVL List GmbH (AVL) – pomiar stężenia i masy

cząstek stałych,

‒ Engine Exhaust Particle Sizer 3090 firmy TSI Inc. (TSI) – pomiar rozkładu

wymiarowego cząstek stałych.

Podstawową aparaturą, z której korzystano w trakcie prowadzonych badań był

SEMTECH-DS (rys. 5.5 i 5.6). Dzięki temu urządzeniu dokonywano pomiarów

stężenia gazowych związków szkodliwych w spalinach, takich jak: CO, CO2, HC i NOx

(tab. 5.4). Elementami składowymi opisywanej aparatury badawczej są przede

wszystkim [69, 71]:

‒ zestaw kilku analizatorów, przeznaczonych do określania zawartości

poszczególnych gazowych substancji szkodliwych w spalinach,

‒ przepływomierz spalin; o różnej średnicy, zależnej od wydatku spalin z układu

wylotowego pojazdu (rys. 5.8),

‒ moduł pozwalający na akwizycję danych z systemu diagnostyki pokładowej

pojazdu OBD,

‒ moduł umożliwiający komunikację z systemem lokalizacji GPS; dzięki temu

istnieje możliwość naniesienia wyników pomiarów na trasę przejazdu.

Rys. 5.5. Mobilny analizator do badań toksyczności spalin

SEMTECH-DS firmy Sensors [35]

- 57 -

Rys. 5.6. Urządzenie pomiarowe SEMTECH-DS w trakcie montażu w pojeździe

Jednym z analizatorów wchodzących w skład urządzenia SEMTECH-DS jest

analizator niedyspersyjny na podczerwień NDIR (Non-Dispersive InfraRed). Ta

niedyspersyjna metoda pomiaru z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego

pozwala wyznaczyć stężenie tlenku i dwutlenku węgla w spalinach. Kolejnymi

z analizatorów, będących elementami budowy opisywanej aparatury badawczej, są

NDUV (Non-Dispersive UltraViolet) oraz FID (Flame Ionization Detector). Pierwszy

z nich umożliwia pomiar stężenia tlenków azotu, natomiast drugi służy do określenia

zawartości węglowodorów w spalinach.

Zasada działania analizatora SEMTECH-DS polega głównie na tym, że gazy

spalinowe są do niego wprowadzane za pomocą sondy pomiarowej, znajdującej się na

końcu przewodu, podgrzewanego do temperatury 191ºC (rys. 5.7). Następnie spaliny są

filtrowane z cząstek stałych (w przypadku silników ZS) i następuje pomiar stężenia

węglowodorów. W dalszej kolejności są one schładzane do temperatury 4ºC

i dokonywany jest kolejno pomiar stężenia: tlenków azotu, tlenku węgla, dwutlenku

węgla oraz tlenu (analizatorem elektrochemicznym).

O2

Układ poboru spalin

Przewód grzany

191 C

Filtr

FID(HC)

NDUV(NOx)

Chłodnica

4 C

Wylot spalin

LAN PC

OBD

GPS

Jed

no

stka

ste

rują

ca

NDIR(CO, CO2)

Rys. 5.7. Schemat budowy mobilnego analizatora SEMTECH-DS [69, 71]

- 58 -

Tabela 5.4. Charakterystyka mobilnego analizatora spalin SEMTECH-DS [69, 71]

Parametr Metoda pomiaru Dokładność

1. Stężenie związków

CO

HC

NOx = (NO + NO2)

CO2

O2

Częstotliwość próbkowania

NDIR – niedyspersyjna (podczerwień),

zakres 0–10 %

FID – płomieniowo-jonizacyjna, zakres

0–10 000 ppm

NDUV – niedyspersyjna (ultrafiolet),

zakres 0–3000 ppm

NDIR – niedyspersyjna (podczerwień),

zakres 0–20 %

elektrochemiczna, zakres 0–20 %

1 Hz

±3 %

±2,5 %

±3 %

±3 %

±1 %

2. Przepływ spalin masowe natężenie przepływu

Tmax do 700 C

±2,5 %

±1 % zakresu

3. Czas nagrzewania 15 min

4. Czas odpowiedzi T90 < 1 s

5. Obsługiwane systemy

diagnostyczne

SAE J1850/SAE J1979 (LDV)

SAE J1708/SAE J1587 (HDV)

CAN SAE J1939/J2284 (HDV)

Opisywana mobilna aparatura pomiarowa, oprócz pomiaru stężenia

poszczególnych gazowych substancji szkodliwych w spalinach, umożliwia również

pomiar masowego natężenia przepływu spalin (wspominany przepływomierz). Jest to

niezbędne do obliczania emisji tych związków (np. drogowej, jednostkowej). Należy

pamiętać, z racji różnej objętości skokowej silników napędzających pojazdy, różny jest

też wydatek spalin. Stąd konieczne jest dobieranie do badań przepływomierzy spalin

o odpowiedniej średnicy (rys. 5.8). Urządzenie SEMTECH-DS, wykorzystując tzw.

metodę bilansu masy węgla (carbon balance), pozwala wyznaczyć ponadto

przebiegowe zużycie paliwa przez dany pojazd.

Rys. 5.8. Przepływomierz spalin zamontowany

w układzie wylotowym

Oceny emisji cząstek stałych dokonano m.in. z wykorzystaniem analizatora Micro

Soot Sensor firmy AVL, łącznie z układem kondycjonowania próbki – układem

rozcieńczania spalin powietrzem (rys. 5.9 i 5.10a). Zestaw ten umożliwia ciągły pomiar

stężenia PM w rozcieńczonych spalinach. Zasada działania układu jest oparta na

pomiarze fotoakustycznym (PASS – Photo Acoustic Soot Sensor) w tzw. rezonansowej

- 59 -

komorze pomiarowej. Wykorzystanie metody fotoakustycznej pozwala na detekcję

stężenia cząstek stałych w zakresie 0–50 mg/m3. Pomiar cząstek – urządzenie mierzy

część węglową PM – polega na znacznej absorpcji modulowanego światła laserowego

przez cząstki sadzy. Skutkuje to okresowym (przemiennym) ogrzewaniem

i chłodzeniem gazu nośnego (pulsacje ciśnienia w komorze pomiarowej), a powstająca

fala dźwiękowa jest rejestrowana przez mikrofony. Następnie sygnał podlega

wzmocnieniu i odfiltrowaniu. Podstawowe dane techniczne analizatora MSS

przedstawiono w tabeli 5.5.

Modulowane światło laserowe

Mikrofon Komora pomiarowa

Przepływ spalin

Fala dźwiękowa

Rys. 5.9. Schemat działania analizatora do pomiaru stężenia

cząstek stałych MSS firmy AVL [5]

Tabela 5.5. Dane techniczne analizatora do pomiaru emisji cząstek stałych [5]

Zakres działania 050 mg/m3

Rozdzielczość 0,001 mg/m³

Czas odpowiedzi < 1 s

Stopień rozcieńczenia 1:5000

Temperatura próbki spalin 543 C

Przepływ spalin 2 dm3/min

Napięcie zasilające 230 V, 500 W

Błąd wskazań maks. ±3 % w zakresie DR 210,

maks. ±10 % w zakresie DR 1020

Dopuszczalna temp. spalin do 1000 C

a) b)

Rys. 5.10. Aparatura służąca do pomiaru zawartości cząstek stałych w spalinach [5, 37]:

a) AVL Micro Soot Sensor, b) TSI Engine Exhaust Particle Sizer 3090

- 60 -

Do pomiaru rozkładu średnic cząstek stałych wykorzystano spektrometr masowy

firmy TSI – EEPS 3090 (rys. 5.10b). Spektrometr umożliwiał ciągły pomiar rozkładu

wielkości PM emitowanych przez silnik badanych pojazdów. Analizatory tego typu

umożliwiają pomiar zawartości cząstek stałych dla dyskretnego zakresu średnic cząstek

(od 5,6 do 560 nm), na podstawie zróżnicowanej ich prędkości (tab. 5.6). Zakres

elektrycznej ruchliwości cząstek jest zmieniany wykładniczo, a pomiar wielkości PM

odbywa się z częstotliwością 10 Hz.

Rys. 5.11. Schemat działania analizatora rozkładu

cząstek stałych EEPS 3090 [37]

Tabela 5.6. Dane techniczne spektrometru masowego firmy TSI [37]

Rozmiar mierzonych cząstek 5,6560 nm

Liczba kanałów pomiarowych 16 kanałów na dekadę (32 całkowicie)

Liczba kanałów elektrod 22

Rozdzielczość 10 rozmiarów kanałów/s

Przepływ próbki spalin 10 dm3/min

Przypływ sprężonego powietrza 40 dm3/min

Temperatura próbki wejściowej 1052 C

Temperatura pracy urządzenia 040 C

Zasada działania urządzenia EEPS jest następująca: cząstki stałe doprowadzane są

do analizatora jako strumień gazów wylotowych z silnika (rys. 5.11). Początkowy filtr

wyłapuje cząstki większe niż 1 µm, czyli takie będące poza zakresem pomiarowym

urządzenia. Następnie są one kierowane na elektrodę ładującą, gdzie wytwarzane są

jony. Połączenie cząstek stałych i ładunku elektrycznego pozwala sklasyfikować je

według rozmiaru. Następnie cząstki trafiają na szczelinę pierścieniową, która jest

przestrzenią między dwoma koncentrycznymi cylindrami. Szczelinę otacza strumień

czystego powietrza (doprowadzany z zewnątrz). Cylinder wylotowy zbudowany jest

w formie stosu elektrod o dużej czułości, ułożonych w formie pierścienia w taki sposób,

iż są od siebie izolowane. Elektrody z jednej strony podłączone są do wzmacniacza,

- 61 -

z drugiej zaś uziemione. Powoduje to powstanie pola elektrycznego między cylindrami

zbudowanymi z elektrod. Przepływająca pomiędzy nimi mieszanka świeżego powietrza

i cząstek stałych, które (naładowane dodatnio) odpychane są od wysokonapięciowej

elektrody i kierowane między „czułe” elektrody. Cząstki, uderzając w elektrody,

powodują wytwarzanie prądu, który w czasie rzeczywistym odczytywany jest przez

sterownik. Całość obsługiwana jest przez oprogramowanie, umożliwiające obserwację

wyników w czasie rzeczywistym na wewnętrznym ekranie urządzenia lub ekranie

komputera, podłączonego do niego.

W związku z tym, że wykorzystywana w badaniach mobilna aparatura pomiarowa

typu PEMS (rys. 5.125.14) wymagała stałego zasilania, którego nie można było

zaadaptować z badanych pojazdów, zastosowano dodatkowe urządzenia niezbędne do

prowadzenia pomiarów (rys. 5.15 i 5.16). Wykorzystano do tego celu dodatkowe źródła

zasilania w postaci akumulatorów o dużej gromadzonej energii (235 A·h) oraz

agregatów prądotwórczych o mocy 2 kW (każdy).

Rys. 5.12. Aparatura pomiarowa typu PEMS

zamontowana w pojeździe

Rys. 5.13. Aparatura pomiarowa typu PEMS zamontowana

w ładowniach samochodów ciężarowych

- 62 -

SPRĘŻARKA POWIETRZADR

(stopień rozcieńczenia)

MSS

EEPS

PC

PC

SPALINY

+ 1 bar

SEMTECH-DSPRZEPŁYWOMIERZ przewód grzany

SPRĘŻARKA POWIETRZADR

(stopień rozcieńczenia)

SEMTECH-LAM

PC

PC

SPALINY

+ 1 bar

SEMTECH-DSPRZEPŁYWOMIERZ przewód grzany

Rys. 5.14. Schemat połączenia urządzeń wykorzystywanych do badań emisji spalin [45, 53]

Rys. 5.15. Aparatura pomiarowa typu PEMS

zamontowana w samochodzie osobowym

Rys. 5.16. Aparatura pomiarowa typu PEMS

zamontowana w samochodzie dostawczym

- 63 -

5.3. Harmonogram badań

Do realizacji celów pracy zaplanowano wykonanie dwóch grup badań.

W pierwszej kolejności zweryfikowano kilka wybranych zasad eco-drivingu. Następnie

przeprowadzono zasadnicze badania, mające pozwolić na określenie wpływu,

stosowanego przez kierowcę, stylu jazdy na zużycie paliwa przez pojazd oraz emisję

substancji szkodliwych w spalinach.

1. Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu

Cześć badań, w tym rozpędzanie pojazdów typu PC, LDV i HDV wykonano na

wydzielonej przestrzeni wolnej od ruchu drogowego (rys. 5.17). Wpływ prędkości

obrotowej silnika na emisję spalin określono natomiast na podstawie przejazdów

wykonanych na odcinku autostrady A2 w rejonach Poznania (rys. 5.18) oraz na odcinku

drogi ekspresowej S11, wiodącym z Poznania do Kórnika (rys. 5.19).

1

2

Rys. 5.17. Odcinek testowy dla przeprowadzenia badań weryfikujących zasady eco-drivingu

12

Rys. 5.18. Odcinek testowy – fragment autostrady A2 w rejonach Poznania

(opracowano na podstawie serwisu Mapy Google)

- 64 -

1

2

Rys. 5.19. Odcinek testowy – fragment drogi ekspresowej S11 z Poznania do Kórnika

(opracowano na podstawie serwisu Mapy Google)

2. Wpływ stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję substancji szkodliwych

w spalinach określono na podstawie następujących badań:

‒ badania zużycia paliwa i emisji drogowej toksycznych składników spalin

z silników samochodów osobowych (PC) w rzeczywistych warunkach ruchu tych

pojazdów (zależnie od stylu jazdy kierowcy) – aglomeracja poznańska: jazda

miejska i pozamiejska (rys. 5.20 i 5.21),

‒ badania zużycia paliwa i emisji drogowej gazowych składników spalin i cząstek

stałych (emisja masowa i wymiarowa) z silników lekkich samochodów

użytkowych (LDV) w rzeczywistych warunkach ruchu tych pojazdów (zależnie

od stylu jazdy kierowcy) – aglomeracja poznańska: jazda miejska i pozamiejska

(rys. 5.20 i 5.21),

‒ badania zużycia paliwa i emisji drogowej gazowych składników spalin i cząstek

stałych (emisja masowa i wymiarowa) z silników pojazdów ciężarowych (HDV)

w rzeczywistych warunkach ich ruchu (w zależności od stylu jazdy kierowcy) –

aglomeracja poznańska, trasa PoznańWrześniaPoznań, miasto Koło i jego

rejony: jazda miejska, pozamiejska i autostradowa (rys. 5.22 i 5.23).

Rys. 5.20. Trasa badawcza nr 1 zlokalizowana na terenie miasta Poznania

(opracowano na podstawie serwisu Mapy Google) [43]

- 65 -

1

2

34

5

Rys. 5.21. Trasa badawcza nr 2 zlokalizowana na terenie miasta Poznania

(opracowano na podstawie serwisu Mapy Google) [41]

1

23

Rys. 5.22. Trasa badawcza nr 3 zlokalizowana na terenie miasta Poznania

(opracowano na podstawie serwisu Mapy Google) [44]

1

2

3

Rys. 5.23. Trasa badawcza nr 4 (opracowano na podstawie serwisu Mapy Google) [42]

- 66 -

5.4. Niepewność pomiarowa

Do oszacowania niepewności pomiarowej wykonanych w ramach pracy badań

wykorzystano metodę typu A [70]. Stosowne obliczenia wykonano przy wykorzystaniu

zależności opisanych wzorami (5.1)‒(5.4). Należy powiedzieć, że w podrozdziale

zawarto jedynie przykładowe wyniki, dotyczące analizowanych w pracy substancji

szkodliwych i zużycia paliwa.

(5.1)

gdzie:

xi – wartość otrzymana w i-tym pomiarze,

n – liczba wykonanych pomiarów.

(5.2)

(5.3)

gdzie:

s(x) – odchylenie standardowe z próbki (niepewność przypadkowa pojedynczego

pomiaru),

u(x) – niepewność standardowa (odchylenie standardowe średnich arytmetycznych).

(5.4)

gdzie:

xg – górna granica przedziału ufności dla wartości średniej,

xd – dolna granica przedziału ufności dla wartości średniej,

t – zmienna losowa w rozkładzie Studenta,

α – poziom istotności,

k – liczba stopni swobody, równa liczbie pomiarów n pomniejszonej o 1,

– dokładność pomiaru.

W tabeli 5.7 umieszczono wartości emisji drogowej gazowych związków

szkodliwych w spalinach oraz przebiegowego zużycia paliwa określone dla pojazdu

LDV3 (hamowanie w wyniku zastosowania redukcji biegów) w trakcie badania wpływu

sposobu hamowania pojazdem na zużycie paliwa i emisję substancji szkodliwych

w spalinach (patrz podrozdz. 6.3). Liczba wykonanych prób – pomiarów emisji spalin

wynosi 18.

𝑥 = 𝑥𝑖

𝑛𝑖=1

𝑛

𝑠 𝑥 = 1

𝑛 − 1 𝑥𝑖 − 𝑥 2

𝑛

𝑖=1

𝑢 𝑥 = 𝑠 𝑥 =𝑠(𝑥)

𝑛=

1

𝑛 𝑛 − 1 𝑥𝑖 − 𝑥 2

𝑛

𝑖=1

𝑥𝑔 = 𝑥 + 𝑡𝛼 ,𝑘 ∙ 𝑠(𝑥 )

𝑥𝑑 = 𝑥 − 𝑡𝛼 ,𝑘 ∙ 𝑠(𝑥 )

±𝑡𝛼 ,𝑘 ∙ 𝑠(𝑥 )

- 67 -

Tabela 5.7. Wartości emisji drogowej i zużycia paliwa (pojazd LDV3, hamowanie silnikiem)

n CO [g/km] CO2 [g/km] HC [g/km] NOx [g/km] Przebiegowe zużycie

paliwa [dm3/100 km]

1 0,506 397,6 0,302 1,08 14,3

2 0,425 379,6 0,289 1,41 14,1

3 0,361 404,0 0,271 1,10 14,5

4 0,394 369,5 0,290 1,26 13,3

5 0,361 396,5 0,281 1,01 14,4

6 0,833 404,5 0,306 1,14 15,1

7 0,469 379,4 0,295 1,11 14,4

8 0,497 407,0 0,304 1,09 15,5

9 0,377 378,3 0,313 1,18 14,3

10 0,414 391,3 0,298 1,12 14,6

11 0,432 395,4 0,285 1,08 14,4

12 0,458 401,9 0,301 1,05 14,3

13 0,391 405,6 0,292 1,32 14,0

14 0,462 372,0 0,306 1,13 14,2

15 0,389 385,1 0,275 1,07 14,0

16 0,398 387,0 0,296 1,22 15,1

17 0,445 394,5 0,288 1,08 14,6

18 0,471 402,7 0,303 1,13 14,7

Przykładowy tok obliczeń przedstawiono poniżej:

𝑒𝐶𝑂2−ś𝑟 =397,6 + 379,6 + 404,0 + ⋯ + 387,0 + 394,5 + 402,7

18= 391,8 𝑔/𝑘𝑚

𝑠 𝑒𝐶𝑂2 =

(397,6 − 391,8)2 + (379,6 − 391,8)2 + ⋯ + (402,7 − 391,8)2

18 − 1= 12,1 𝑔/𝑘𝑚

𝑢 𝑒𝐶𝑂2−ś𝑟 = 𝑠 𝑒𝐶𝑂2−ś𝑟 =12,1

18= 2,85 𝑔/𝑘𝑚

𝑥𝑔 = 391,8 + 2,1098 ∙ 2,85 = 397,8 𝑔/𝑘𝑚

𝑥𝑑 = 391,8 − 2,1098 ∙ 2,85 = 385,8 𝑔/𝑘𝑚

Interpretując uzyskane wyniki badań można stwierdzić, z szansą popełnienia

błędu równą 5 % (poziom istotności α = 0,05), że wartości emisji drogowej

poszczególnych analizowanych substancji szkodliwych oraz przebiegowego zużycia

paliwa mieszczą się w przedziałach (tab. 5.8):

- 68 -

𝑒𝐶𝑂 = 0,449 ± 0,053 𝑔/𝑘𝑚

𝑒𝐶𝑂2= 391,8 ± 6,0 𝑔/𝑘𝑚

𝑒𝐻𝐶 = 0,294 ± 0,006 𝑔/𝑘𝑚

𝑒𝑁𝑂𝑥= 1,14 ± 0,05 𝑔/𝑘𝑚

𝑍𝑢ż𝑦𝑐𝑖𝑒 𝑝𝑎𝑙𝑖𝑤𝑎 = 14,4 ± 0,3 𝑑𝑚3/100 𝑘𝑚

Tabela 5.8. Dokładność pomiaru emisji spalin i zużycia paliwa – LDV3

CO [g/km] CO2 [g/km] HC [g/km] NOx [g/km]

Przebiegowe

zużycie

paliwa

[dm3/100 km]

Wartość

średnia 0,449 391,8 0,294 1,14 14,4

Odchylenie

standardowe 0,106 12,1 0,0114 0,0998 0,504

Niepewność

standardowa 0,0249 2,85 0,00268 0,0235 0,119

Dokładność

pomiaru 0,0525 5,99 0,00565 0,0496 0,251

Górna

granica

przedziału

ufności

0,502 397,8 0,300 1,19 14,7

Dolna

granica

przedziału

ufności

0,397 385,8 0,289 1,09 14,2

W tabeli 5.9 przedstawiono natomiast wartości emisji drogowej szkodliwych

składników spalin oraz przebiegowego zużycia paliwa wyznaczone dla pojazdu LDV1

w trakcie wykonywania przejazdów „normalnych” – badania wpływu stylu jazdy

kierowcy na emisję spalin i zużycie paliwa (rozdz. 7). W przypadku tych badań liczba

wykonanych prób (pomiarów) była mała (3).

Tabela 5.9. Wartości emisji drogowej i zużycia paliwa (pojazd LDV1, jazda normalna)

n CO [g/km] CO2 [g/km] HC [g/km] NOx [g/km] Przebiegowe zużycie

paliwa [dm3/100 km]

1 0,95 178,6 0,176 1,13 6,5

2 0,80 172,1 0,170 1,09 6,4

3 1,04 189,0 0,191 1,21 7,0

𝑒𝑁𝑂𝑥−ś𝑟 =1,13 + 1,09 + 1,21

3= 1,14 𝑔/𝑘𝑚

- 69 -

𝑠 𝑒𝑁𝑂𝑥 =

(1,13 − 1,14)2 + (1,09 − 1,14)2 + (1,21 − 1,14)2

3 − 1= 0,0612 𝑔/𝑘𝑚

𝑢 𝑒𝑁𝑂𝑥−ś𝑟 = 𝑠 𝑒𝑁𝑂𝑥−ś𝑟 =0,0612

3= 0,0353 𝑔/𝑘𝑚

𝑥𝑔 = 1,14 + 3,1824 ∙ 0,0353 = 1,26 𝑔/𝑘𝑚

𝑥𝑑 = 1,14 − 3,1824 ∙ 0,0353 = 1,02 𝑔/𝑘𝑚

Interpretując uzyskane wyniki pomiarów w rzeczywistych warunkach ruchu, tym

razem można stwierdzić, przy założonym poziomie istotności α = 0,05, że wartości

emisji drogowej poszczególnych gazowych związków szkodliwych spalin oraz

przebiegowego zużycia paliwa mieszczą się w przedziałach (tab. 5.10):

𝑒𝐶𝑂 = 0,93 ± 0,23 𝑔/𝑘𝑚

𝑒𝐶𝑂2= 179,9 ± 15,7 𝑔/𝑘𝑚

𝑒𝐻𝐶 = 0,179 ± 0,020 𝑔/𝑘𝑚

𝑒𝑁𝑂𝑥= 1,14 ± 0,12 𝑔/𝑘𝑚

𝑍𝑢ż𝑦𝑐𝑖𝑒 𝑝𝑎𝑙𝑖𝑤𝑎 = 6,7 ± 0,7 𝑑𝑚3/100 𝑘𝑚

Tabela 5.10. Dokładność pomiaru emisji spalin i zużycia paliwa – LDV1

CO [g/km] CO2 [g/km] HC [g/km] NOx [g/km]

Przebiegowe

zużycie

paliwa

[dm3/100 km]

Wartość

średnia 0,930 179,9 0,179 1,14 6,67

Odchylenie

standardowe 0,120 8,53 0,0108 0,0612 0,337

Niepewność

standardowa 0,0695 4,93 0,00624 0,0353 0,194

Dokładność

pomiaru 0,221 15,7 0,0199 0,112 0,619

Górna

granica

przedziału

ufności

1,16 195,6 0,199 1,26 7,29

Dolna

granica

przedziału

ufności

0,70 164,2 0,159 1,02 6,05

- 70 -

6. Weryfikacja wybranych zasad eco-drivingu – badania

w rzeczywistych warunkach ruchu

6.1. Wpływ sposobu rozpędzania pojazdu na emisję

substancji szkodliwych i zużycie paliwa

6.1.1. Dynamika przyspieszania pojazdem

Rozpatrzono zagadnienie emisji szkodliwych składników spalin w odniesieniu do

pojazdów zasilanych silnikami ZI i ZS, w aspekcie kształtowania dynamiki jazdy

samochodem w zakresie od jego postoju – praca silnika na biegu jałowym – do

uzyskania stałej prędkości jazdy. Okres rozpędzania pojazdu (a ściślej jego dynamika)

odpowiada w głównej mierze za masę wyemitowanych związków szkodliwych. Celem

przeprowadzonych badań było znalezienie odpowiedzi na pytanie: w jaki sposób należy

rozpędzać pojazd, aby minimalizować zużycie paliwa oraz emisję zanieczyszczeń

gazowych? Odpowiedź uzyskano na podstawie wykonanych pomiarów toksyczności

spalin przy wykorzystaniu mobilnej aparatury badawczej typu PEMS.

Pomiary zawartości substancji szkodliwych w spalinach przeprowadzono

w warunkach przyspieszania pojazdu z różną dynamiką. Analizowano przejazdy

testowe, w których pojazd, jak już wspomniano, przyspieszał od fazy postoju (V = 0

km/h) do uzyskania stałej prędkości jazdy. Przykładowo prędkość ta wynosiła około 50

i 60 km/h w przypadku pojazdów PC1 i PC2. Do analizy wybierano po 4 przejazdy

(spośród 16 wykonywanych), które charakteryzowały się największym zróżnicowaniem

pod względem dynamiki. Poszczególne przejazdy zostały oznaczone literą „R” oraz

kolejnymi liczbami. Jazdy testowe wykonywano na wydzielonej przestrzeni wolnej od

ruchu drogowego, na której można było w sposób dowolny kształtować dynamikę

rozpędzania pojazdu (rys. 5.17, 6.1 i 6.2). Długość odcinka pomiarowego wynosiła

około 250 m.

Rys. 6.1. Obiekt badań – PC2 w trakcie wykonywania jazd testowych

- 71 -

Rys. 6.2. Obiekt badań – LDV2 w trakcie wykonywania jazd testowych

W trakcie wykonywania badań drogowych pojazdów PC1 i PC2 mierzono

stężenie czterech gazowych związków szkodliwych w spalinach (CO, CO2, HC, NOx),

emitowanych przez silniki tych samochodów osobowych. Zarejestrowane przebiegi

prędkości poruszania się każdego pojazdu ze wszystkich 16 prób, posłużyły do

wybrania kilku rejestracji charakterystycznych. Przykładowo dla pojazdu PC2 i dla

założonej końcowej prędkości jazdy 50 km/h wybrano po 2 przebiegi o największych

(R1 i R2) i najmniejszych (R3 i R4) wartościach osiąganych przyspieszeń przez ten

pojazd. Zróżnicowanie wybranych przebiegów w zależności od czasu jazdy i przebytej

drogi zaprezentowano na rysunku 6.3.

a) b)

Rys. 6.3. Prędkość pojazdu jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

Obliczono wyemitowaną masę (wyrażaną w gramach) poszczególnych gazowych

związków szkodliwych w spalinach. Analiza wartości masy tlenku węgla wykazuje, że

przejazd oznaczony jako R1 charakteryzuje się największą jej wartością, znacznie

przekraczającą wartości uzyskane w pozostałych przejazdach (rys. 6.4). Podobną

zależność można zaobserwować w przypadku zmierzonej masy węglowodorów, gdzie

dla przejazdu R1 uzyskano ok. 0,015 g, natomiast masa HC w przypadku pozostałych

trzech przejazdów jest znacznie mniejsza (rys. 6.6).

- 72 -

a) b)

Rys. 6.4. Masa całkowita tlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

a) b)

Rys. 6.5. Masa całkowita dwutlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

Inne zależności zaobserwowano w przypadku analizy zarówno dwutlenku węgla,

jak i tlenków azotu (rys. 6.5 i 6.7). Jeśli chodzi o emisję tych dwóch szkodliwych

składników spalin silnikowych to zaobserwowano wyraźne różnice w wartościach masy

całkowitej uzyskanych dla przejazdów charakteryzujących się dużą dynamiką

przyspieszania – R1 i R2, niż dla przejazdów o mniejszej dynamice – R3 i R4.

Odnośnie do tych dwóch ostatnich przejazdów można dodatkowo zauważyć, iż

uzyskano bardzo zbliżone wartości masy całkowitej dwutlenku węgla i tlenków azotu.

a) b)

Rys. 6.6. Masa całkowita węglowodorów jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

- 73 -

a) b)

Rys. 6.7. Masa całkowita tlenków azotu jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

Na podstawie otrzymanej w wyniku obliczeń skumulowanej emisji – masy

całkowitej poszczególnych związków szkodliwych, obliczono w dalszej kolejności

emisję drogową tych związków dla każdego przejazdu (określaną w g/km). Uzyskane,

w wyniku przeprowadzonych badań drogowych pojazdów PC1 i PC2 (do prędkości

maksymalnej równej 50 km/h), wartości emisji drogowej wszystkich związków

gazowych, w formie zbiorczej zaprezentowano na rysunkach 6.8 i 6.9. Wynika z nich,

że pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdów ze względów ekologicznych są (dla

obu pojazdów) przejazdy R3 i R4, dla których uzyskano najmniejsze wartości

wyemitowanych związków szkodliwych, a które charakteryzowały się małą wartością

średniego przyspieszenia, uzyskiwaną przez badane pojazdy (tab. 6.1).

Rys. 6.8. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych uzyskana w każdym

rozpatrywanym przejeździe dla prędkości maksymalnej Vmax = 50 km/h – PC1

Rys. 6.9. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych uzyskana w każdym

rozpatrywanym przejeździe dla prędkości maksymalnej Vmax = 50 km/h – PC2

- 74 -

Tabela 6.1. Wartości średniego przyspieszenia (w m/s2) uzyskane w trakcie przejazdów

Obiekt

badań

Nr przejazdu

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8

PC1 0,83 1,12 0,62 0,71 0,67 1,03 0,63 0,57

PC2 1,76 1,25 0,81 1,02 1,68 1,44 0,98 1,03

W przypadku pojazdów PC1 i PC2 wykonano również badania dla założonej

prędkości jazdy wynoszącej 60 km/h. Podobnie jak wcześniej, do dalszej analizy

posłużyły 4 rejestracje charakterystyczne, oznaczone jako R5R8. Tutaj również

kryterium wyboru była wartość osiąganego przez pojazdy przyspieszenia.

Zróżnicowanie wybranych przebiegów prędkości (dla pojazdu PC2), w zależności od

czasu jazdy, zaprezentowano na rysunku 6.10.

Rys. 6.10. Prędkość pojazdu jako funkcja czasu jazdy

Pozyskane w trakcie przeprowadzonych badań drogowych pojazdów PC1 i PC2

(dla prędkości maksymalnej równej 60 km/h) wartości emisji drogowej poszczególnych

związków szkodliwych spalin zaprezentowano na rysunkach 6.11 i 6.12. Wynika z nich,

że pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdów ze względów ekologicznych są (dla

obu pojazdów) przejazdy R7 i R8, które (podobnie jak we wcześniejszym przypadku)

charakteryzowały się małą wartością średniego przyspieszenia, uzyskiwaną przez

badane pojazdy (tab. 6.1).

Rys. 6.11. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych uzyskana w każdym

rozpatrywanym przejeździe dla prędkości maksymalnej Vmax = 60 km/h – PC1

- 75 -

Rys. 6.12. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych uzyskana w każdym

rozpatrywanym przejeździe dla prędkości maksymalnej Vmax = 60 km/h – PC2

Ze względu na przewidzianą ocenę także skutków energetycznych w trakcie

różnego sposobu rozpędzania pojazdów badawczych, przy wykorzystaniu metody

bilansu masy węgla, dokonano obliczeń przebiegowego zużycia paliwa (rys. 6.13

i 6.14). Pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdów ze względów energetycznych są

te same przejazdy, jakie odnotowano w przypadku dokonywanej oceny pod względem

ekologicznym, czyli R3 i R4 oraz R7 i R8.

a) b)

Rys. 6.13. Przebiegowe zużycie paliwa określone

dla prędkości maksymalnej: a) Vmax = 50 km/h, b) Vmax = 60 km/h

a) b)

Rys. 6.14. Przebiegowe zużycie paliwa określone

dla prędkości maksymalnej: a) Vmax = 50 km/h, b) Vmax = 60 km/h

- 76 -

Wpływ sposobu rozpędzania pojazdu na emisję szkodliwych gazowych związków

chemicznych oraz przebiegowe zużycie paliwa określono również dla samochodów

dostawczych (LDV2 i LDV4). Pojazdami tymi uzyskiwano maksymalną prędkość jazdy

wynoszącą około 45 km/h (rys. 6.15). Jako wyznacznik dynamiki ich rozpędzania

przyjęto, podobnie jak wcześniej, średnie przyspieszenie dla całego okresu rozpędzania

pojazdu. Na potrzeby przedmiotowej analizy, dodatkowo obliczono też przyspieszenie

uzyskane przez samochody badawcze między 2 a 10 sekundą (tab. 6.2). Ponadto

wykresy przedstawione na rysunku 6.16 zawierają informacje na temat przyspieszenia

uzyskiwanego przez jeden z obiektów badań (średnia ruchoma, odstęp równy 4 s).

a) b)

Rys. 6.15. Prędkość pojazdu jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

a) b)

Rys. 6.16. Przebieg przyspieszenia uzyskiwanego przez pojazd LDV2 podczas jego rozpędzania

do Vmax = 45 km/h względem: a) czasu jazdy, b) przebytej drogi

Tabela 6.2. Wartości przyspieszenia uzyskane w trakcie przejazdów

Obiekt

badań Parametr

Nr przejazdu

R1 R2 R3 R4

LDV2

V [m/s]

(dla t = 2 s) 0,04 0,22 0,31 0,72

V [m/s]

(dla t = 10 s) 7,02 8,14 10,19 6,80

a2-10 [m/s2] 0,87 0,99 1,23 0,76

aśr [m/s2] 0,65 0,75 1,04 0,63

LDV4

V [m/s]

(dla t = 2 s) 1,30 1,03 0,45 1,21

V [m/s]

(dla t = 10 s) 12,92 7,96 9,61 7,20

a2-10 [m/s2] 1,45 0,87 1,15 0,75

aśr [m/s2] 1,41 0,71 0,84 0,69

- 77 -

Na rysunkach 6.17 i 6.18 przedstawiono przykładowe przebiegi skumulowanej

emisji analizowanych związków szkodliwych spalin, otrzymane w wyniku

przeprowadzonych badań drogowych pojazdów LDV2 i LDV4. Natomiast na podstawie

rysunków 6.19 i 6.20 można dokonać oceny skutków ekologicznych i energetycznych,

odnośnie do stosowanej przez kierowcę różnej dynamiki przyspieszania pojazdem.

Nasuwające się wnioski są analogiczne do tych przedstawionych w przypadku

samochodów osobowych PC1 i PC2. W celu uzyskania możliwie najmniejszych

obciążeń środowiskowych należy umiarkowanie przyspieszać pojazdem (wartość

przyspieszenia w pierwszych sekundach jazdy nie większa niż 1 m/s2).

a) b)

Rys. 6.17. Masa związków szkodliwych jako funkcja czasu jazdy: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla

a) b)

Rys. 6.18. Masa związków szkodliwych jako funkcja czasu jazdy: a) węglowodorów, b) tlenków azotu

a) b)

Rys. 6.19. Emisja drogowa gazowych szkodliwych składników spalin (a) oraz przebiegowe zużycie

paliwa przez pojazd LDV2 (b) uzyskane dla prędkości maksymalnej Vmax = 45 km/h

- 78 -

a) b)

Rys. 6.20. Emisja drogowa gazowych szkodliwych składników spalin (a) oraz przebiegowe zużycie

paliwa przez pojazd LDV4 (b) uzyskane dla prędkości maksymalnej Vmax = 45 km/h

Na potrzeby analizy wyników badań dokonano również wartościowania efektów

(emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa) w zależności od przyjętego sposobu

rozpędzania pojazdu. Przyjęto różne warianty takiego postępowania: oceniono

rozpędzanie pojazdu z uwzględnieniem – z jednej strony – minimalizacji zużycia

paliwa, a z drugiej – najmniejszej emisji zanieczyszczeń. Charakterystyka uzyskanych

wyników (przykładowo dla pojazdu LDV2; rys. 6.19) pozwoliła na przeprowadzenie

analizy ujmującej różne przyjęte priorytety oceny końcowej:

A – brak priorytetów dotyczących zużycia paliwa i emisji poszczególnych związków

szkodliwych,

B – priorytet minimalnej emisji zanieczyszczeń ze szczególnym naciskiem na emisję

tlenków azotu,

C – równy udział sumarycznej emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa,

D – równy udział emisji zanieczyszczeń (ze szczególnym naciskiem na emisję

tlenków azotu) i zużycia paliwa,

E – priorytet minimalizacji zużycia paliwa; jednakowy udział emisji zanieczyszczeń,

F – priorytet minimalizacji zużycia paliwa; zwiększony nacisk na emisję tlenków

azotu.

Tak przyjęte wartościowanie wyniku końcowego skutkowało przyjęciem

wskaźników wag, które zaprezentowano w tabeli 6.3.

Tabela 6.3. Wartości współczynników wagowych przyjętych do wartościowania skutków

środowiskowych i energetycznych dla różnych sposobów rozpędzania pojazdu

Priorytety oceny CO CO2 HC NOx Q

A 0,200 0,200 0,200 0,200 0,200

B 0,133 0,133 0,133 0,400 0,200

C 0,125 0,125 0,125 0,125 0,500

D 0,033 0,033 0,033 0,400 0,500

E 0,050 0,050 0,050 0,050 0,800

F 0,033 0,033 0,033 0,100 0,800

- 79 -

Aby wykorzystać współczynniki wag ustandaryzowano wartości otrzymane

z pomiarów emisji spalin i zużycia paliwa. W wyniku normalizacji danych otrzymano

wartości, które są zawarte w przedziale <0,1> (tab. 6.4). Takie podejście pozwoliło na

ocenę zaproponowanego wartościowania oraz obiektywne wybranie rozwiązań

spełniających założone kryteria.

Transformacja ta jest przeprowadzana według wzoru:

i_mini_max

i_minii

xx

xxx

(6.1)

gdzie:

ix – wartość po transformacji,

xi – wartość transformowana,

xi_max – maksymalna wartość występująca w zbiorze danej cechy,

xi_min – minimalna wartość występująca w zbiorze danej cechy.

Tabela 6.4. Standaryzowane wartości emisji dla różnych sposobów rozpędzania pojazdu (LDV2)

Sposoby rozpędzania pojazdu CO CO2 HC NOx Q

R1 0,031 0,005 0,061 0,239 0,006

R2 0,250 0,442 0,294 1 0,435

R3 1 1 1 0,477 1

R4 0 0 0 0 0

Obliczone wartości skutków ekologicznych i energetycznych wyrażone jako suma

iloczynów wartości standaryzowanych i współczynników wagowych przedstawiono w

postaci matrycy wartości (tab. 6.5), gdzie kolorem czerwonym oznaczono wartości

maksymalne, a kolorem zielonym – wartości minimalne (dla każdego sposobu

rozpędzania pojazdu). Analiza taka może mieć zastosowanie do wyboru dynamiki

rozpędzania pojazdu w warunkach poszczególnych przejazdów lub do zastosowania

algorytmów w układach automatycznej regulacji prędkości i obciążenia silników

spalinowych przy zmianach obciążenia.

Tabela 6.5. Matryca wartościowania sumy skutków ekologicznych i energetycznych (LDV2)

Priorytety

oceny

Sposób rozpędzania pojazdu

R1 R2 R3 R4

A 0,068 0,484 0,895 0

B 0,110 0,618 0,791 0

C 0,045 0,466 0,935 0

D 0,102 0,651 0,791 0

E 0,021 0,448 0,974 0

F 0,032 0,481 0,948 0

- 80 -

W trakcie prowadzenia badań pojazdu ciężarowego – HDV1, rozpędzano go do

dwóch prędkości jazdy: 30 i 50 km/h. Zróżnicowanie wybranych przebiegów prędkości

pojazdu, w zależności od czasu jazdy, zaprezentowano na rysunkach 6.21 i 6.22.

Przebiegi o największych wartościach osiąganych przyspieszeń przez pojazd to R3 i R6,

natomiast o najmniejszych – R2 i R7 (tab. 6.6). Maksymalne chwilowe przyspieszenie

pojazdu dla przejazdów R1–R4 mieści się w zakresie 1,2–2,3 m/s2, natomiast dla

przejazdów R5–R8 jest nieco mniejsze, przyjmując wartości w granicach 1,4–1,7 m/s2

(rys. 6.21 i 6.22).

Tabela 6.6. Wartości przyspieszenia uzyskane w trakcie przejazdów – HDV1 [48]

Parametr Nr przejazdu

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8

V [m/s]

(dla t = 2 s) 0,54 0,63 0,31 0,80 0,40 0,09 0,13 0,22

V [m/s]

(dla t = 10 s) 5,14 4,83 8,72 5,50 5,54 8,05 5,68 8,67

a2-10 [m/s2] 0,58 0,53 1,05 0,59 0,64 0,99 0,69 1,06

aśr [m/s2] 0,53 0,33 0,97 0,43 0,68 0,87 0,66 0,84

Bazując na zmierzonym stężeniu poszczególnych substancji szkodliwych

w spalinach – CO, CO2, HC, NOx – obliczono natężenie ich emisji dla wszystkich

ośmiu reprezentatywnych przejazdów. Na rysunkach 6.21 i 6.22 przykładowo

przedstawiono natężenie emisji dwutlenku węgla. Znaczący wzrost natężenia emisji

CO2 dla rozpędzania R1 wynika z gwałtowniejszego wciśnięcia pedału przyspieszenia

w końcowej fazie przejazdu. Dla prędkości jazdy wynoszącej 50 km/h zaobserwować

można wyraźnie wzrastające wartości natężenia emisji dwutlenku węgla w miarę

upływu czasu jazdy, co wynika ze zwiększających się oporów ruchu pojazdu. Wartości

te osiągają maksymalnie około 35 g/s.

Rys. 6.21. Natężenie emisji dwutlenku węgla dla prędkości maksymalnej 30 km/h

- 81 -

Rys. 6.22. Natężenie emisji dwutlenku węgla dla prędkości maksymalnej 50 km/h

Obliczono również – na podstawie określonego wcześniej natężenia emisji – masę

całkowitą poszczególnych substancji szkodliwych, wyemitowaną ze spalinami.

W przypadku dwutlenku węgla, dla przejazdu oznaczonego jako R5, jego masa ma

wyraźnie mniejszą wartość, znacznie odbiegającą od wartości uzyskanych

w pozostałych przejazdach dla prędkości maksymalnej 50 km/h (rys. 6.23). Wynika to

jednak z nieosiągnięcia w pełni założonej prędkości jazdy w trakcie rozpędzania R5.

Ponadto w przypadku Vmax = 50 km/h stwierdzono znaczące różnice w wartościach

masy całkowitej dwutlenku węgla uzyskanych dla przejazdów charakteryzujących się

dużą dynamiką przyspieszania – R6 i R8, niż dla przejazdów o mniejszej dynamice –

R5 i R7. Odnośnie do tych dwóch pierwszych przejazdów można dodatkowo zauważyć,

iż uzyskano prawie identyczne wartości masy całkowitej CO2.

a) b)

Rys. 6.23. Skumulowana emisja dwutlenku węgla wyznaczona dla przejazdów z:

a) Vmax = 30 km/h, b) Vmax = 50 km/h

Na podstawie pozyskanych w trakcie przeprowadzonych badań – rozpędzanie

pojazdu HDV1 do prędkości maksymalnej równej 30 i 50 km/h – wartości emisji

drogowej można stwierdzić, że poszczególne sposoby przyspieszania pojazdem,

w zakresie zmienności dynamiki przyspieszania, cechują się znacząco odmienną emisją

substancji szkodliwych (rys. 6.24 i 6.25). Pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdu,

ze względów energetycznych i ekologicznych, są przejazdy R2 i R4 oraz R5 i R7, które

charakteryzowały się mniejszymi wartościami przyspieszenia, jakie uzyskiwał badany

pojazd.

- 82 -

a) b)

Rys. 6.24. Emisja drogowa dwutlenku węgla oraz przebiegowe zużycie paliwa wyznaczone dla każdego

rozpatrywanego przejazdu: a) Vmax = 30 km/h, b) Vmax = 50 km/h

a) b)

Rys. 6.25. Emisja drogowa pozostałych związków gazowych spalin wyznaczona dla każdego

rozpatrywanego przejazdu: a) Vmax = 30 km/h, b) Vmax = 50 km/h

Wyniki przeprowadzonych badań drogowych potwierdziły, że dla wielkości

zużycia paliwa przez pojazd, a więc i emisji substancji szkodliwych w spalinach,

decydujące znaczenie ma czynność przyspieszania. Zatem odpowiednio kształtując

tę czynność (korzystając np. z zasad eco-drivingu) można uzyskać oszczędności

w przebiegowym zużyciu paliwa oraz zmniejszenie emisji spalin.

Z tej racji, że pojazdy są wyposażone w silniki o różnej mocy i mają różną

masę własną trudno sformułować konkretne zalecenia co do sposobu

przyspieszania pojazdem (wartości osiąganego przyspieszenia są bowiem różne).

Ogólnym jednak zaleceniem może być to, że nie należy stosować dynamicznego,

maksymalnego naciskania na pedał przyspieszenia w pojeździe (np. maksymalnego

otwarcia przepustnicy w silnikach ZI), natomiast należy to robić do ¾

maksymalnej możliwości jego naciśnięcia (w dość dynamiczny sposób).

- 83 -

6.1.2. Rozpędzanie pojazdu z zastosowaniem różnej liczby biegów

Na podstawie przeprowadzonych badań emisji spalin z pojazdów typu PC i LDV

uzyskano wyniki dotyczące efektów energetycznych oraz najmniejszych obciążeń

środowiskowych dla różnego sposobu rozpędzania pojazdu – wykorzystanie różnej

liczby biegów. Uwzględniono też wpływ dynamiki tego rozpędzania. Prędkość

i przyspieszenie określano na podstawie danych z pokładowego rejestratora parametrów

ruchu pojazdu. Analizowano przejazdy testowe, gdy pojazdy przyspieszały od fazy

zatrzymania (postoju) do uzyskania stałej prędkości jazdy wynoszącej 45–60 km/h.

Rozpędzania samochodów do danej prędkości dokonywano przy zastosowaniu różnego

przełożenia w skrzyni biegów (możliwego w danych warunkach jazdy). W przypadku

mniejszych prędkości jazdy stosowano maksymalnie 3. i 4. bieg (skrzynie

przekładniowe wszystkich pojazdów były manualne, 5-biegowe). Natomiast

w przypadku większych prędkości jazdy – powyżej 55 km/h – stosowano maksymalnie

3., 4. i 5. bieg.

W trakcie prowadzonych badań dokonywano pomiarów parametrów ruchu (jazdy)

oraz toksyczności spalin stosując – oprócz różnego przełożenia w skrzyni

przekładniowej – dwa sposoby rozpędzania pojazdu, określone jako: jazda normalna

oraz agresywna. Definicje tych sposobów ruszania pojazdem z miejsca przyjęto

następująco:

‒ jazda normalna – powolne przyspieszanie, zmiana biegu przy n = 2400–2900

obr/min (PC1) oraz przy n = 1900–2400 obr/min (PC2), maksymalne i średnie

przyspieszenie wzdłużne odpowiednio ok. 2,0 m/s2 oraz 0,9 m/s

2,

‒ jazda agresywna – bardzo dynamiczne przyspieszanie, zmiana biegu przy

prędkości obrotowej powyżej 2900 obr/min (PC1) oraz przy prędkości obrotowej

powyżej 2400 obr/min (PC2), maksymalne i średnie przyspieszenie wzdłużne

powyżej odpowiednio 2,5 m/s2 i 1,3 m/s

2.

Jazdy testowe wykonywano na około 250-metrowym odcinku pomiarowym,

wolnym od ruchu drogowego (rys. 5.17). W trakcie badań wykonano po kilkanaście

przejazdów dla każdej prędkości maksymalnej (Vmax). Wszystkie wykonane próby,

z podziałem na dany zastosowany bieg i styl rozpędzania pojazdu, dla celów analizy

poddano uśrednieniu. Wybrane zarejestrowane przebiegi prędkości jazdy dla jednego

z obiektów badań zaprezentowano na rysunku 6.26.

0

10

20

30

40

50

60

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Prę

dko

ść ja

zdy

[km

/h]

Czas [s]

normalnieagresywnie

Rys. 6.26. Prędkość samochodu PC2 jako funkcja czasu jazdy [46]

- 84 -

Na wykresach przedstawionych na rysunku 6.27 zawarto dla przykładu

informacje na temat chwilowego przyspieszenia uzyskiwanego przez jeden z obiektów

badań – samochód PC2 – w trakcie stosowania dwóch odmiennych sposobów jego

rozpędzania. Maksymalne przyspieszenie tego pojazdu dla przejazdów agresywnych

mieści się w zakresie 2,55–2,85 m/s2, natomiast dla przejazdów normalnych jest

znacznie mniejsze, przyjmując wartości w granicach 2,00–2,45 m/s2. Jako wyznacznik

dynamiki rozpędzania samochodów badawczych przyjęto, na potrzeby przedmiotowej

analizy, przyspieszenie uzyskane przez poszczególny pojazd między 3. a 8. sekundą

rozpędzania (tab. 6.7). Dodatkowo obliczono również średnie przyspieszenie dla całego

okresu rozpędzania samochodów.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Prz

ysp

iesz

en

ie [

m/s

2]

Czas [s]

Rys. 6.27. Charakterystyki przyspieszania pojazdu

jako funkcji czasu jazdy (PC2) [46]

Tabela 6.7. Wartości przyspieszenia uzyskane w trakcie przejazdów (PC2)

agresywnie

1

agresywnie

2

agresywnie

3

normalnie

1

normalnie

2

normalnie

3

V [m/s]

(dla t = 3 s) 2,19 1,48 0,76 1,12 0,45 0,40

V [m/s]

(dla t = 8 s) 13,68 11,89 11,89 9,92 9,48 8,23

a3-8 [m/s2] 2,30 2,08 2,23 1,76 1,81 1,57

aśr [m/s2] 1,76 1,26 1,58 0,88 0,91 0,81

Na podstawie zmierzonych stężeń w każdym z rozpatrywanych przejazdów

obliczono masę całkowitą substancji szkodliwych. Przykładowy przebieg

skumulowanej emisji dwutlenku węgla przedstawiono na rys. 6.28. Masa CO2

w przypadku przyspieszania samochodem PC2 przy wykorzystaniu maksymalnie 3.

biegu (jazda normalna) i 4. biegu (jazda agresywna) charakteryzuje się zbliżonymi

wartościami. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że samochód przejechał w trakcie

tych dwóch przejazdów inną drogę.

- 85 -

Rys. 6.28. Masa całkowita dwutlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (PC2, Vmax = 50 km/h) [46]

Na podstawie otrzymanej, w wyniku wcześniejszych obliczeń, skumulowanej

emisji poszczególnych substancji szkodliwych spalin, obliczono następnie ich emisję

drogową dla każdego przejazdu (rys. 6.29–6.32). Poszczególne sposoby przyspieszania

pojazdem w zakresie zmienności zastosowanego przełożenia w skrzyni biegów oraz

dynamiki rozpędzania cechują się bardzo odmienną emisją CO, CO2, HC

i NOx. Umiarkowane przyspieszanie pojazdem skutkuje – czasami nawet kilkukrotnie –

mniejszą drogową emisją tych związków gazowych.

a) b)

Rys. 6.29. Emisja drogowa tlenku węgla dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

a) b)

Rys. 6.30. Emisja drogowa dwutlenku węgla dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

- 86 -

a) b)

Rys. 6.31. Emisja drogowa węglowodorów dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

a) b)

Rys. 6.32. Emisja drogowa tlenków azotu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

Jak już wspomniano, dla osiągnięcia większych prędkości jazdy stosowano

maksymalną, przewidzianą konstrukcją skrzyni przekładniowej, liczbę biegów.

W przypadku zastosowania w końcowej fazie rozpędzania pojazdu 5. biegu, czyli

najmniejszego możliwego przełożenia, daje się zauważyć już wyraźnie mniejszą emisję

drogową poszczególnych związków gazowych spalin (rys. 6.33–6.36). Silnik pojazdu

pracuje wtedy w warunkach większego obciążenia, przy małej prędkości obrotowej.

Dotyczy to zarówno jazdy normalnej, jak i agresywnej.

a) b)

Rys. 6.33. Emisja drogowa tlenku węgla dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

- 87 -

a) b)

Rys. 6.34. Emisja drogowa dwutlenku węgla dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

a) b)

Rys. 6.35. Emisja drogowa węglowodorów dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

a) b)

Rys. 6.36. Emisja drogowa tlenków azotu dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

Ze względu na przewidzianą ocenę również skutków energetycznych, w wyniku

zastosowania różnego sposobu rozpędzania obiektów badań, obliczono wartości

przebiegowego zużycia paliwa. Uzyskane w trakcie przeprowadzonych badań

drogowych wartości tego zużycia paliwa dla pojazdów PC1 i PC2 oraz prędkości

maksymalnej równej 50 i 60 km/h zaprezentowano na rysunkach 6.37 i 6.38. Wynika

z nich, że pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdów ze względów energetycznych

(i ekologicznych zarazem) są przejazdy, w których zastosowano możliwie najwyższy

- 88 -

bieg: 4. dla prędkości równej 50 km/h oraz 5. dla prędkości wynoszącej 60 km/h.

Należy w tym miejscu podkreślić, iż widoczne bardzo duże wartości emisji drogowej

i przebiegowego zużycia paliwa wynikają z dynamicznych, nieustalonych warunków

pracy silników i dotyczą wyłącznie czasu rozpędzania pojazdów.

a) b)

Rys. 6.37. Przebiegowe zużycie paliwa dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 50 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

a) b)

Rys. 6.38. Przebiegowe zużycie paliwa dla rozpędzania pojazdu od 0 do Vmax = 60 km/h:

a) pojazd PC1, b) pojazd PC2

W celu wykazania różnic w emisji drogowej poszczególnych substancji

szkodliwych oraz zużyciu paliwa przez pojazdy PC1 i PC2, obliczono ich względną

różnicę procentową wobec stosowanego największego – spośród trzech analizowanych

– przełożenia w skrzyni przekładniowej (3. bieg). W formie zbiorczej dla obu obiektów

badań oraz dwóch maksymalnych prędkości jazdy zaprezentowano to na rysunkach

6.39–6.43. Z zestawienia wynika, że należy stosować wyższy bieg, przy jednoczesnej

mniejszej wartości prędkości obrotowej silnika pojazdu. Dotyczy to zwłaszcza

przypadku, w którym Vmax = 60 km/h oraz zastosowano 5. bieg.

Z przeprowadzonych badań wynika, że uzyskuje się wtedy największą redukcję emisji

CO i HC, która wynosi (odpowiednio) przynajmniej: 30 i 25 % (rys. 6.41 i 6.42).

- 89 -

a) b)

Rys. 6.39. Różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do

Vmax = 50 km/h: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla

a) b)

Rys. 6.40. Różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do

Vmax = 50 km/h: a) węglowodorów, b) tlenków azotu

a) b)

Rys. 6.41. Różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do

Vmax = 60 km/h: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla

a) b)

Rys. 6.42. Różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania pojazdu od 0 do

Vmax = 60 km/h: a) węglowodorów, b) tlenków azotu

- 90 -

a) b)

Rys. 6.43. Różnice w przebiegowym zużyciu paliwa względem trzeciego biegu dla rozpędzania

pojazdu od 0 do: a) Vmax = 50 km/h, b) Vmax = 60 km/h

Badania drogowe, mające na celu wykazanie wpływu zastosowanego przełożenia

w skrzyni przekładniowej między innymi na emisję spalin w trakcie rozpędzania

pojazdu, wykonano również dla trzech samochodów użytkowych (dostawczych):

LDV1–LDV3. W przypadku tej grupy pojazdów, m.in. z racji ich większej masy

i wolniejszego rozpędzania się na krótkim odcinku pomiarowym, głównie ze względów

bezpieczeństwa stosowano nieco mniejsze maksymalne prędkości jazdy (45 i 55 km/h).

Analogicznie, jak w przypadku samochodów osobowych, obliczono dla każdego

przejazdu najpierw emisję drogową poszczególnych substancji szkodliwych

w spalinach (rys. 6.44–6.47), a następnie na jej podstawie określono przebiegowe

zużycie paliwa przez badane pojazdy typu LDV (rys. 6.48).

a) b)

Rys. 6.44. Emisja drogowa tlenku węgla z pojazdu LDV2 – rozpędzanie od 0 do:

a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h

a) b)

Rys. 6.45. Emisja drogowa dwutlenku węgla z pojazdu LDV2 – rozpędzanie od 0 do:

a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h

- 91 -

a) b)

Rys. 6.46. Emisja drogowa węglowodorów z pojazdu LDV2 – rozpędzanie od 0 do:

a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h

a) b)

Rys. 6.47. Emisja drogowa tlenków azotu z pojazdu LDV2 – rozpędzanie od 0 do:

a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h

a) b)

Rys. 6.48. Przebiegowe zużycie paliwa przez pojazd LDV2 – rozpędzanie od 0 do:

a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h

Analiza procentowych różnic w emisji drogowej substancji szkodliwych oraz

przebiegowym zużyciu paliwa (wobec stosowanego 3-go biegu) wykazuje, że

w największym stopniu można ograniczyć zawartość tlenku węgla i węglowodorów

w spalinach w wyniku zastosowania „korzystniejszego” przełożenia w skrzyni biegów

(podobnie jak w przypadku pojazdów PC1 i PC2). W przypadku badanych

samochodów dostawczych, zauważyć można ponadto większe różnice procentowe

w zużyciu paliwa – a tym samym w emisji dwutlenku węgla do atmosfery –

w porównaniu do tych zaobserwowanych różnic dla samochodów osobowych (rys.

6.49‒6.53).

- 92 -

a) b)

Rys. 6.49. Procentowe różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania

pojazdu od 0 do Vmax = 45 km/h: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla

a) b)

Rys. 6.50. Procentowe różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania

pojazdu od 0 do Vmax = 45 km/h: a) węglowodorów, b) tlenków azotu

a) b)

Rys. 6.51. Procentowe różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania

pojazdu od 0 do Vmax = 55 km/h: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla

a) b)

Rys. 6.52. Procentowe różnice w emisji drogowej względem trzeciego biegu dla rozpędzania

pojazdu od 0 do Vmax = 55 km/h: a) węglowodorów, b) tlenków azotu

- 93 -

a) b)

Rys. 6.53. Procentowe różnice w przebiegowym zużyciu paliwa względem trzeciego biegu dla

rozpędzania pojazdu od 0 do: a) Vmax = 45 km/h, b) Vmax = 55 km/h

Przedstawiono ocenę skutków ekologicznych i nakładów energetycznych

w wyniku eksploatacji pojazdu w zależności od przyjętego sposobu i dynamiki jego

rozpędzania do zamierzonej prędkości jazdy. Wykonane badania drogowe kilku

pojazdów, uwidoczniły znaczący wpływ stosowanego przez kierowcę stylu

rozpędzania pojazdu na emisję substancji szkodliwych w spalinach oraz

przebiegowe zużycie paliwa. Należy wskazać na znaczny wzrost wartości emisji

drogowej tych substancji oraz zużycia paliwa w wyniku zastosowania bardzo

dynamicznego przyspieszania.

Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały, że najmniejsze skutki

ekologiczne, a przy okazji również najmniejsze nakłady energetyczne (wielkość

eksploatacyjnego zużycia paliwa), ponosi się przy umiarkowanym rozpędzaniu

pojazdu. Analizując wyniki pomiarów należy wskazać także na znaczne

zmniejszenie emisji spalin oraz przebiegowego zużycia paliwa w wyniku

zastosowania mniejszych przełożeń w skrzyni przekładniowej (wyższych biegów)

w trakcie przyspieszania, i to zarówno w przypadku jazdy normalnej, jak

i agresywnej. Na drogach dość często można zaobserwować stosowanie przez

kierowców dynamicznego – a nawet bardzo agresywnego – sposobu ruszania

pojazdem z miejsca oraz zbyt długie stosowanie przez nich niższych biegów – duża

prędkość obrotowa silnika – w trakcie wykonywania tego manewru. Mając na

uwadze wnioski wyciągnięte z przeprowadzonych badań warto podkreślić, że może

to nie tylko wpływać negatywnie na ekonomię eksploatacji pojazdów silnikowych,

ale także, i to w dużym stopniu, na środowisko naturalne. Pomimo, że badania

wykonano dla kilku reprezentatywnych pojazdów, przewiduje się, że zauważone

zależności mają odniesienie również do innych środków transportu.

- 94 -

6.2. Wpływ prędkości obrotowej silnika na emisję spalin

i zużycie paliwa

Celem badań było znalezienie zależności emisji substancji szkodliwych spalin od

wzrastającej prędkości obrotowej silnika spalinowego. Wartości stężeń poszczególnych

szkodliwych gazowych składników w spalinach oraz cząstek stałych (w przypadku

pojazdów użytkowych LDV) uzyskano w efekcie wykonania badań w rzeczywistych

warunkach ruchu podczas przejazdów w rejonie Poznania. Przebieg jednej z tras

badawczych, będącej fragmentem płatnej autostrady A2, zaprezentowano na rysunku

5.18. Jej długość wynosiła w przybliżeniu 10 km. Podobnej długości była druga obrana

trasa (około 11 km), którą stanowił odcinek drogi ekspresowej S11 z Poznania do

Kórnika (rys. 5.19). Przejazdy testowe realizowano w porze porannej i południowej,

przy występowaniu dość dużego natężenia ruchu na odcinkach pomiarowych.

W celu przeprowadzenia przedmiotowej analizy rozpędzano samochody

badawcze PC1‒PC3 do prędkości jazdy mieszczących się w przedziale od 50 do 120

km/h. Prędkości te, ze skokiem co 10 km/h, uzyskiwano przy wykorzystaniu różnej,

maksymalnej liczby biegów. Skutkowało to różnymi wartościami prędkości obrotowej

silnika spalinowego, odczytywanymi z systemu diagnostyki pokładowej OBD pojazdu.

Przykładowo, dla rozpędzenia pojazdu PC1 do prędkości 70 km/h otrzymano różnicę

o wartości aż 1500 obr/min w prędkości obrotowej silnika – porównanie 3. i 5. biegu

(tab. 6.8).

Tabela 6.8. Wybrane parametry zarejestrowane w trakcie przejazdów testowych (PC1)

Parametr Prędkość jazdy [km/h]

50 60 70 80 90 100 110 120

Prędkość

obrotowa

silnika

[obr/min]

3. bieg 2450 2800 3450 – – – – –

4. bieg 1800 2200 2500 2800 3250 3500 3950 4250

5. bieg 1500 1700 1950 2250 2500 2750 3000 3300

Wydatek spalin

[kg/h]

3. bieg 32,3 35,2 47,9 – – – – –

4. bieg 23,2 33,9 35,6 49,1 54,3 61,4 65,2 94,7

5. bieg 17,1 28,5 31,4 41,8 49,8 58,1 63,4 81,8

Temperatura

spalin [ C]

3. bieg 124,4 128,4 140,3 – – – – –

4. bieg 119,4 121,9 138,0 163,4 166,8 177,7 200,9 237,7

5. bieg 106,7 109,9 135,7 156,6 162,1 176,9 202,2 235,8

Na podstawie wykonanych pomiarów stężeń substancji szkodliwych w spalinach

badanego pojazdu obliczono emisję tych związków dla jazdy z różną prędkością

obrotową silnika. Przejazdy testowe z daną prędkością realizowano, ze względu na

- 95 -

występujący ruch na drodze, przez 30 s. Uwzględniając przebytą odległość,

wyznaczono w dalszej kolejności emisję drogową poszczególnych szkodliwych

składników gazów wylotowych (rys. 6.54 i 6.56).

a) b)

c) d)

Rys. 6.54. Wartości emisji drogowej uzyskane dla mniejszych prędkości jazdy (PC1):

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

W przypadku mniejszych prędkości jazdy (50‒70 km/h) w analizie uwzględniono

zastosowany 3., 4. i 5. bieg (rys. 6.54). Natomiast w przypadku prędkości większych –

powyżej 80 km/h analiza dotyczy już tylko 4. i 5. biegu (rys. 6.56). W miarę

zmniejszania przełożenia w skrzyni przekładniowej – zwiększanie biegu, a tym samym

zmniejszanie prędkości obrotowej silnika – zmniejsza się również emisja drogowa

wszystkich czterech analizowanych związków szkodliwych: tlenku i dwutlenku węgla,

węglowodorów oraz tlenków azotu.

Dla prędkości jazdy od 50 do 70 km/h największe różnice w emisji drogowej

(przez pojazd PC1) obserwuje się dla tlenku węgla i węglowodorów (rys. 6.55).

Dotyczy to zwłaszcza przypadku, kiedy stosowany był w trakcie jazdy 3. bieg.

Natomiast stosowanie przez kierowcę 5-go biegu przyniosło największe korzyści

w przypadku pojazdu PC2. Dzięki temu nastąpiło zmniejszenie emisji drogowej

wszystkich analizowanych związków szkodliwych spalin o 20‒40 %.

- 96 -

a) b)

c) d)

Rys. 6.55. Procentowe różnice w emisji drogowej – względem czwartego biegu:

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

a) b)

c) d)

Rys. 6.56. Wartości emisji drogowej uzyskane dla większych prędkości jazdy (PC1):

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

- 97 -

W przypadku prędkości jazdy mieszczących się w zakresie 80‒120 km/h

największe różnice w emisji drogowej, w wyniku zastosowania mniejszego przełożenia

w skrzyni biegów, zanotowano wobec tlenku węgla i tlenków azotu (rys. 6.57). Dla

niektórych pojazdów uzyskano redukcję emisji tych związków nawet o 40 %. Podobnie

jak wcześniej, w trakcie jazdy obiektem badań oznaczonym jako PC2 na 5. biegu,

uzyskano największe zmniejszenie zawartości CO, CO2, HC i NOx w spalinach.

a) b)

c) d)

Rys. 6.57. Procentowe różnice w emisji drogowej – względem czwartego biegu:

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

Badania mające na celu określenie wpływu prędkości obrotowej jednostki

napędowej pojazdu na emisję szkodliwych składników spalin i zużycie paliwa

przeprowadzono również przy wykorzystaniu samochodów LDV1 i LDV3. Cechują się

one, wobec badanych samochodów osobowych, m.in. większą masą własną oraz

większym współczynnikiem oporu powietrza. W przypadku tych obiektów badań

uzyskiwano prędkość jazdy wynoszącą od 60 do 100 km/h (tab. 6.9).

W tabeli 6.9, oprócz branych pod uwagę w analizie wartości prędkości obrotowej

jednostki napędowej badanego pojazdu LDV1, zestawiono również informacyjnie kilka

innych istotnych parametrów eksploatacyjnych silnika spalinowego. Na szczególniejszą

uwagę, z punktu widzenia emisji związków szkodliwych spalin i zużycia paliwa przez

pojazd, zasługują takie parametry jak: obciążenie silnika, wydatek spalin oraz

współczynnik λ.

- 98 -

Tabela 6.9. Wybrane parametry zarejestrowane w trakcie przejazdów testowych (LDV1)

Parametr Prędkość jazdy [km/h]

60 70 80 90 100

Prędkość

obrotowa

silnika

[obr/min]

3. bieg 2250 2550 – – –

4. bieg 1650 1850 2100 2350 2650

5. bieg 1350 1500 1700 1850 2100

Obciążenie

silnika [%]

3. bieg 38,0 42,1 – – –

4. bieg 37,1 46,0 54,8 46,3 48,8

5. bieg 40,2 35,7 43,7 58,3 62,4

Wydatek

spalin [kg/h]

3. bieg 145,6 192,1 – – –

4. bieg 104,9 121,3 147,8 183,2 242,1

5. bieg 82,6 89,3 113,0 140,4 170,8

Temperatura

spalin [ C]

3. bieg 108,6 108,6 – – –

4. bieg 114,3 110,0 119,7 131,2 135,6

5. bieg 108,8 110,4 121,2 126,6 133,2

Współczynnik

λ []

3. bieg 4,1 4,1 – – –

4. bieg 4,0 3,1 3,2 3,6 3,3

5. bieg 3,8 4,2 3,2 2,7 2,8

Emisję drogową poszczególnych szkodliwych składników spalin pojazdu LDV1,

przedstawiono na rysunkach 6.58 i 6.59. Podobnie jak poprzednio zaobserwować

można spadek wartości emisji w miarę zmniejszania przełożenia w skrzyni biegów

(zmniejsza się przy tym prędkość obrotowa silnika). Dotyczy to zarówno mniejszych

prędkości jazdy (60 i 70 km/h), jak i prędkości większych (80‒100 km/h). Jak już

wspomniano, dla badanych samochodów dostawczych typu LDV określono również

emisję cząstek stałych z ich układów wylotowych (rys. 6.60). Widoczne zależności są

analogiczne do tych, zaobserwowanych wobec emisji drogowej CO, CO2, HC i NOx.

- 99 -

a) b)

c) d)

Rys. 6.58. Wartości emisji drogowej uzyskane dla mniejszych prędkości jazdy (LDV1):

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

a) b)

c) d)

Rys. 6.59. Wartości emisji drogowej uzyskane dla większych prędkości jazdy (LDV1):

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

- 100 -

Rys. 6.60. Wartości emisji drogowej cząstek stałych przez pojazd LDV1

Dla prędkości jazdy wynoszącej 60 i 70 km/h największe różnice w emisji

drogowej obserwuje się dla tlenku węgla i węglowodorów (rys. 6.61). W przypadku

prędkości jazdy mieszczących się w zakresie 80‒100 km/h jest podobnie. W wyniku

zmniejszenia przez kierowcę prędkości obrotowej silnika po zastosowaniu piątego

biegu, zanotowano dla obu badanych pojazdów typu LDV duże zmniejszenie ilości

emitowanych CO i HC na każdy kilometr przejechanej trasy (rys. 6.62).

a) b)

c) d)

Rys. 6.61. Procentowe różnice w emisji drogowej – względem czwartego biegu:

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

- 101 -

a) b)

c) d)

Rys. 6.62. Procentowe różnice w emisji drogowej – względem czwartego biegu:

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

Na podstawie określonej emisji drogowej substancji szkodliwych obliczono, przy

wykorzystaniu metody bilansu masy węgla, przebiegowe zużycie paliwa przez badane

pojazdy (rys. 6.63). Podobnie jak w przypadku emisji drogowej obserwuje się znaczący

spadek wartości zużywanego przez pojazd paliwa na każde przejechane 100 km

(w zależności od chwilowej prędkości obrotowej silnika).

a)

b)

Rys. 6.63. Wartość przebiegowego zużycia paliwa uzyskana w wyniku zastosowania

różnej prędkości jazdy: a) pojazd PC1, b) pojazd LDV1

- 102 -

Wykonane badania dostarczyły informacji na temat ilościowej emisji

substancji szkodliwych z pojazdów do atmosfery w dynamicznych warunkach

ruchu drogowego. Przeprowadzone pomiary toksyczności spalin samochodów,

należących do kategorii homologacyjnych M i N, uwidoczniły znaczący wpływ

osiąganej prędkości obrotowej silnika m.in. na emisję gazowych składników spalin

oraz cząstek stałych. Należy wskazać na znacząco mniejszą emisję drogową tych

substancji w przypadku jazdy z załączonym mniejszym przełożeniem w skrzyni

przekładniowej – wyższy bieg (rys. 6.64). Zaobserwowana zależność dotyczy

wszystkich osiąganych w trakcie pomiarów prędkości jazdy.

a)

b)

c)

Rys. 6.64. Wartości emisji drogowej: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) tlenków azotu

- 103 -

6.3. Wpływ sposobu hamowania pojazdem na emisję spalin

i zużycie paliwa

Stosowanie hamowania silnikiem przez kierujących pojazdami, w wyniku

redukcji biegów, np. w trakcie dojazdu do skrzyżowania, sygnalizatora świetlnego,

przejazdu kolejowego w miejsce jazdy wybiegiem jest szczególnie podkreślane przez

propagatorów eco-drivingu. Podnoszona jest kwestia unikania bezproduktywnego,

z punktu widzenia sprawności pracy jednostki napędowej, biegu luzem i jałowego

silnika.

Weryfikacji aspektów ekologicznych i energetycznych stosowania ww. zasady

dokonano w wyniku przeprowadzenia badań drogowych kilku pojazdów. Były nimi

cztery samochody osobowe (PC1–PC4), dwa samochody dostawcze (LDV1 i LDV4)

oraz jeden samochód ciężarowy (HDV1). Jazdy testowe wykonywano na

kilkusetmetrowym odcinku pomiarowym, wolnym od ruchu drogowego (rys. 5.17).

Badane pojazdy rozpędzano do kilku prędkości: 50, 60 i 70 km/h, a następnie

stosowano dwojaki sposób wytracania prędkości. Hamowano przy wykorzystaniu

zwiększania przełożenia skrzyni przekładniowej – mniejszy bieg oraz przy

wykorzystaniu oporów ruchu w trakcie jazdy wybiegiem, dodatkowo używając układu

hamulcowego w końcowej fazie wykonywanych przejazdów (rys. 6.65 i 6.66).

Poszczególne przejazdy zostały oznaczone kolejnymi liczbami, poprzedzonymi literami

„JW” – dla jazdy wybiegiem oraz „HS” – dla hamowania silnikiem. W niniejszej

analizie funkcjonuje też pojęcie fazy „napędowej” i „nienapędowej” ruchu pojazdu –

gdy moc jest dostarczana na koła pojazdu, lub nie jest dostarczana.

a) b)

Rys. 6.65. Przebieg prędkości pojazdu PC1 w czasie: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

a) b)

Rys. 6.66. Przebieg prędkości pojazdu LDV1 w czasie: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

- 104 -

W przypadku tlenku węgla, wyemitowanego przez samochody osobowe

wyposażone w silniki ZI (PC1, PC3), można zaobserwować bardzo duży wzrost jego

masy w spalinach po rozłączeniu napędu – jazda wybiegiem (rys. 6.67 i 6.68).

W szczególności dotyczy to pierwszych kilku sekund, gdy następuje nagłe zwiększenie

współczynnika nadmiaru powietrza (np. do wartości około 1,5; rys. 6.69 i 6.70). W tym

też czasie natężenie emisji CO osiąga maksymalne wartości (nie wliczając okresu

rozpędzania pojazdu – faza napędowa). W trakcie zastosowania jazdy wybiegiem na

emisję tlenku węgla znaczący wpływ ma również zmniejszenie się temperatury spalin

(rys. 6.85 i 6.86), a tym samym wychładzanie się trójfunkcyjnego reaktora

katalitycznego – m.in. mniejsza sprawność konwersji CO.

a) b)

Rys. 6.67. Skumulowana emisja tlenku węgla wyznaczona

dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)

a) b)

Rys. 6.68. Skumulowana emisja tlenku węgla wyznaczona

dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)

a) b)

Rys. 6.69. Wartości natężenia emisji tlenku węgla – PC1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

- 105 -

a) b)

Rys. 6.70. Wartości natężenia emisji tlenku węgla – PC3: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

Inny przebieg zawartości tlenku węgla w spalinach podczas wykonywania

przejazdów testowych pojazdami PC1 i PC3 obserwuje się w przypadku hamowania

silnikiem. Podobnie jak wcześniej, tak i tu zauważyć można wzrost masy CO w gazach

wylotowych po zaprzestaniu napędzania pojazdu, jednak wzrost ten jest znacznie

mniejszy (rys. 6.67 i 6.68). Stąd też wynika zauważalna mniejsza całkowita masa tlenku

węgla wyemitowana z układu napędowego badanych pojazdów (rys. 6.71).

a) b)

Rys. 6.71. Masa całkowita tlenku węgla uzyskana dla analizowanych

technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI

Analizując zawartość dwutlenku węgla w spalinach, uzyskaną dla wszystkich

przejazdów, nie obserwuje się już tak wyraźnych różnic w przypadku stosowania

dwóch odmiennych sposobów sterowania układem napędowym pojazdów PC1 i PC3

w celu wytracenia osiągniętej prędkości jazdy (rys. 6.72 i 6.73). Przebiegi zawartości

CO2 w spalinach są dość podobne (zwłaszcza środkowa część – zaraz po rozłączeniu

napędu), co wynika z analogicznego kształtowania się wartości natężenia emisji (rys.

6.74 i 6.75). Całkowita masa wyemitowanego do atmosfery dwutlenku węgla dla obu

pojazdów i obu rodzajów przejazdów (jazda wybiegiem i hamowanie silnikiem)

pozostaje na bardzo zbliżonym poziomie i mieści się w granicach 40‒60 g (rys. 6.76).

- 106 -

a) b)

Rys. 6.72. Skumulowana emisja dwutlenku węgla wyznaczona

dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)

a) b)

Rys. 6.73. Skumulowana emisja dwutlenku węgla wyznaczona

dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)

a) b)

Rys. 6.74. Wartości natężenia emisji dwutlenku węgla – PC1: a) jazda wybiegiem,

b) hamowanie silnikiem

a) b)

Rys. 6.75. Wartości natężenia emisji dwutlenku węgla – PC3: a) jazda wybiegiem,

b) hamowanie silnikiem

- 107 -

a) b)

Rys. 6.76. Masa całkowita dwutlenku węgla uzyskana dla analizowanych

technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI

W przypadku kolejnych z analizowanych substancji szkodliwych w spalinach –

węglowodorów można zaobserwować największe różnice w ich emisji w wyniku

zastosowania dwóch odmiennych sposobów hamowania pojazdem (rys. 6.77‒6.79).

Podobnie jak w przypadku tlenku węgla kluczowe znaczenie w kwestii zawartości HC

w spalinach ma kilka pierwszych sekund w fazie jazdy nienapędowej, kiedy to,

w większości przypadków, występują największe (w tej fazie) wartości natężenia emisji

węglowodorów (rys. 6.80 i 6.81). Nieco inna sytuacja ma miejsce w przypadku pojazdu

PC3 i hamowania silnikiem. Na szczególną uwagę zasługują widoczne chwilowe

zerowe wartości natężenia emisji węglowodorów. Jest to powiązane z krótkotrwałym

„skokiem” wartości współczynnika nadmiaru powietrza do poziomu około 30.

a) b)

Rys. 6.77. Skumulowana emisja węglowodorów wyznaczona

dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)

a) b)

Rys. 6.78. Skumulowana emisja węglowodorów wyznaczona

dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)

- 108 -

a) b)

Rys. 6.79. Masa całkowita węglowodorów uzyskana dla analizowanych

technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI

a) b)

Rys. 6.80. Wartości natężenia emisji węglowodorów – PC1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

a) b)

Rys. 6.81. Wartości natężenia emisji węglowodorów – PC3: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

O ile dla tlenku i dwutlenku węgla oraz węglowodorów uzyskano wyraźne

różnice w ich zawartości w spalinach przy zastosowaniu jazdy wybiegiem i hamowania

silnikiem, o tyle dla tlenków azotu jest te różnice są prawie niezauważalne (rys.

6.82‒6.84). Ewentualne rozbieżności mogą wynikać z różnic w emisji w fazie

napędowej ruchu pojazdu – kwestia powtarzalności rozpędzania tego pojazdu. Wartości

natężenia emisji NOx w fazie nienapędowej w obu przypadkach (jazda wybiegiem

i hamowanie silnikiem) są bowiem praktycznie identyczne i równe zeru – masa tlenków

azotu nie przyrasta w miarę upływu czasu (rys. 6.85 i 6.86). Nie da się zatem

jednoznacznie stwierdzić, który sposób zmniejszania prędkości jazdy jest korzystniejszy

z punktu widzenia emisji NOx z badanych pojazdów. Należy w tym miejscu jeszcze

dodać, iż zarejestrowana przez urządzenia pomiarowe niska temperatura spalin wynika

ze znacznej odległości czujników od silnika. Są one bowiem umieszczone

w przepływomierzu spalin, montowanym na przedłużeniu układu wylotowego pojazdu

(wpływ chłodzącego oddziaływania otoczenia).

- 109 -

a) b)

Rys. 6.82. Skumulowana emisja tlenków azotu wyznaczona

dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)

a) b)

Rys. 6.83. Skumulowana emisja tlenków azotu wyznaczona

dla jazdy wybiegiem (a) i hamowania silnikiem (b)

a) b)

Rys. 6.84. Masa całkowita tlenków azotu uzyskana dla analizowanych

technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI

a) b)

Rys. 6.85. Wartości natężenia emisji tlenków azotu – PC1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

- 110 -

a) b)

Rys. 6.86. Wartości natężenia emisji tlenków azotu – PC3: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

Potwierdzenie poprzednich wyników uzyskano określając, dla każdego przejazdu,

emisję drogową poszczególnych szkodliwych składników spalin – CO, CO2, HC i NOx

(rys. 6.87). Widoczne mniejsze bądź większe różnice w wartościach emisji wynikają ze

stopnia powtarzalności przejazdów – zwłaszcza istotna jest faza napędowa ruchu

pojazdu.

a) b)

Rys. 6.87. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych określona

dla analizowanych technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI

Ze względu na odmienną specyfikę pracy silników o zapłonie samoczynnym, dla

pojazdów PC2, PC4 i z grupy LDV oraz HDV, zarejestrowano nieco inne przebiegi

mierzonych i obliczanych parametrów (stężenie, natężenie emisji). Wyniki badań,

nakierowanych na określenie wpływu sposobu hamowania pojazdem na emisję spalin

i przebiegowe zużycie paliwa, jednego z tych pojazdów zaprezentowano na rysunkach

6.88‒6.95.

a) b)

Rys. 6.88. Wartości natężenia emisji tlenku węgla – LDV1: a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

- 111 -

a) b)

Rys. 6.89. Masa całkowita tlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

a) b)

Rys. 6.90. Wartości natężenia emisji dwutlenku węgla – LDV1:

a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

a) b)

Rys. 6.91. Masa całkowita dwutlenku węgla jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

Na szczególniejszą uwagę zasługuje natężenie emisji tlenku węgla

i węglowodorów. Po rozłączeniu napędu i przejściu do drugiej fazy ruchu

(nienapędowej) wartości natężenie tych dwóch związków gazowych spalin utrzymują

się niemal na stałym poziomie (rys. 6.88 i 6.92). Dotyczy to zwłaszcza jazdy

wybiegiem. Należy przy tym dodać, że chwili rozłączenia napędu towarzyszy

gwałtowny wzrost wartości współczynnika nadmiaru powietrza. W przypadku pojazdu

LDV1 i jazdy wybiegiem maksymalna wartość λ = 15, natomiast dla hamowania

silnikiem zaobserwować można wartość λmax wynoszącą około 30.

- 112 -

a) b)

Rys. 6.92. Wartości natężenia emisji węglowodorów – LDV1:

a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

a) b)

Rys. 6.93. Masa całkowita węglowodorów jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

a) b)

Rys. 6.94. Wartości natężenia emisji tlenków azotu – LDV1:

a) jazda wybiegiem, b) hamowanie silnikiem

a) b)

Rys. 6.95. Masa całkowita tlenków azotu jako funkcja czasu jazdy (a) i przebytej drogi (b)

- 113 -

Obliczoną emisję drogową gazowych związków szkodliwych spalin, dla

przejazdów testowych wykonywanych samochodami wyposażonymi z silniki ZS,

przedstawiono w formie zbiorczej na rysunku 6.96. W porównaniu do samochodów

napędzanych silnikami ZI, można zauważyć nieco inną zależność w przypadku emisji

drogowej tlenku węgla i węglowodorów. Różnice w wartościach emisji tych związków

gazowych nie są tak znaczące, odnośnie do dwóch stosowanych technik jazdy.

a) b)

Rys. 6.96. Emisja drogowa gazowych związków szkodliwych określona

dla analizowanych technik jazdy: a) Citroën Berlingo, b) Fiat Doblo

Stosowane przez prowadzącego pojazd hamowanie silnikiem przynosi nie tylko

korzyści w postaci mniejszej emisji większości gazowych związków szkodliwych

w spalinach, lecz również mniejszego zużycia paliwa (większa sprawność silnika; rys.

6.97‒6.100). Jest to szczególnie istotne w przypadku pojazdów ciężkich, do napędu

których wymagana jest duża ilość paliwa (rys. 6.100).

Stosowanie hamowania silnikiem w miejsce jazdy wybiegiem przyczynia się też,

poza aspektami ekologicznymi, do mniejszego zużycia elementów hamulców oraz

zwiększenia bezpieczeństwa transportu – kwestia dłuższego rozłączania napędu

w przypadku jazdy wybiegiem. Zwłaszcza dotyczy to wszelkich zjazdów ze wzniesień,

gdy występuje duże niebezpieczeństwo przegrzania elementów układu hamulcowego

(stąd konieczność stosowania hamulców dodatkowych w pojazdach HDV – np.

retardery).

a) b)

Rys. 6.97. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla analizowanych

technik jazdy: a) Skoda Fabia ZI, b) VW Golf GTI

- 114 -

a) b)

Rys. 6.98. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla analizowanych

technik jazdy: a) Skoda Fabia ZS, b) VW Passat

a) b)

Rys. 6.99. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla analizowanych

technik jazdy: a) Citroën Berlingo, b) Fiat Doblo

Rys. 6.100. Przebiegowe zużycie paliwa określone

dla analizowanych technik jazdy (HDV1)

W obliczu obserwowanych zróżnicowanych wyników uzyskanych dla każdego

przejazdu dokonano wartościowania efektów (emisja zanieczyszczeń i zużycie paliwa)

dla dwóch sposobów hamowania pojazdem, uwzględniając różne określone priorytety

oceny końcowej. Na podstawie przyjętych wskaźników wag (tab. 6.3) ustandaryzowano

wartości otrzymane z pomiarów emisji spalin i zużycia paliwa (tab. 6.10 i 6.11).

- 115 -

Tabela. 6.10. Standaryzowane wartości emisji – jazda wybiegiem (LDV4)

Sposoby rozpędzania pojazdu CO CO2 HC NOx Q

JW1 0,108 1 1 1 1

JW2 0,351 0,272 0,705 0 0,263

JW3 0,020 0,482 0,282 0,592 0,459

JW4 0,091 0,295 0,392 0,385 0,278

JW5 0 0,357 0,229 0,557 0,338

JW6 0,039 0,377 0,051 0,169 0,366

JW7 0,717 0,161 0,290 0,052 0,156

JW8 0,762 0 0,282 0,036 0

JW9 1 0,687 0 0,322 0,666

Tabela. 6.11. Standaryzowane wartości emisji – hamowanie silnikiem (LDV4)

Sposoby rozpędzania pojazdu CO CO2 HC NOx Q

HS1 0,308 0,750 0,727 0,167 0,462

HS2 0,135 0,270 0,433 1 0,384

HS3 0 0,920 0 0,213 0,564

HS4 0,070 0 0,462 0,621 0

HS5 0,001 0,721 0,251 0 0,499

HS6 1 0,935 0,824 0,317 0,837

HS7 0,228 0,263 0,577 0,248 0,506

HS8 0,289 1 0,784 0,197 1

HS9 0,034 0,234 1 0,411 0,486

Obliczone wartości skutków ekologicznych i energetycznych wyrażone jako suma

iloczynów wartości standaryzowanych i współczynników wagowych przedstawiono w

postaci matrycy wartości (tab. 6.12 i 6.13). Kolorem czerwonym oznaczono wartości

maksymalne, a kolorem zielonym – wartości minimalne (dla każdego sposobu

hamowania pojazdem). W przypadku hamowania silnikiem zaobserwowano dwa

przejazdy o zbliżonym najbardziej negatywnym wpływie na środowisko naturalne.

Należy przy tym zauważyć, iż przejazd oznaczony jako HS6 jest gorszy od HS8 pod

względem emisji drogowej związków szkodliwych, jednak korzystniejszy pod kątem

wartości przebiegowego zużycia paliwa.

Tabela 6.12. Matryca wartościowania sumy skutków ekologicznych i energetycznych (LDV4)

Priorytety

oceny

Numer przejazdu

JW1 JW2 JW3 JW4 JW5 JW6 JW7 JW8 JW9

A 0,822 0,318 0,367 0,288 0,296 0,200 0,275 0,216 0,535

B 0,881 0,230 0,433 0,313 0,368 0,203 0,208 0,154 0,487

C 0,888 0,298 0,401 0,284 0,312 0,262 0,231 0,135 0,584

D 0,970 0,176 0,492 0,319 0,411 0,266 0,138 0,049 0,518

E 0,955 0,277 0,436 0,281 0,327 0,324 0,186 0,054 0,633

F 0,970 0,255 0,452 0,287 0,345 0,325 0,169 0,038 0,621

- 116 -

Tabela 6.13. Matryca wartościowania sumy skutków ekologicznych i energetycznych (LDV4)

Priorytety

oceny

Numer przejazdu

HS1 HS2 HS3 HS4 HS5 HS6 HS7 HS8 HS9

A 0,483 0,444 0,339 0,231 0,294 0,783 0,365 0,654 0,433

B 0,397 0,588 0,321 0,319 0,230 0,662 0,343 0,555 0,431

C 0,475 0,422 0,424 0,144 0,371 0,803 0,418 0,784 0,453

D 0,358 0,620 0,398 0,266 0,282 0,638 0,388 0,648 0,450

E 0,468 0,399 0,508 0,058 0,448 0,824 0,471 0,914 0,473

F 0,446 0,435 0,503 0,080 0,432 0,794 0,465 0,889 0,472

Przeprowadzone badania drogowe wykazały słuszność i korzystność

stosowania hamowania silnikiem (redukcja biegów) w miejsce jazdy wybiegiem

w trakcie eksploatacji pojazdów samochodowych. Nie dość, że unika się wtedy

bezproduktywnego, z punktu widzenia sprawności pracy, biegu luzem i jałowego

silnika (mniejsze przebiegowe zużycie paliwa), to jeszcze uzyskuje się mniejszą

emisję drogową większości substancji szkodliwych w spalinach (CO, CO2, HC).

Wartości emisji drogowej tlenków azotu są bardzo podobne.

- 117 -

7. Wpływ stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję

spalin w warunkach ruchu drogowego

7.1. Badania drogowe pojazdów lekkich

Badania w rzeczywistych warunkach ruchu przeprowadzono w celu weryfikacji

wpływu sposobu jazdy na emisję szkodliwych składników spalin oraz zużycie paliwa

przez pojazdy. Celem przeprowadzonych badań była odpowiedź na pytanie: w jaki

sposób należy prowadzić pojazd silnikowy aby minimalizować emisję spalin do

atmosfery?

Badania pojazdów lekkich: samochody osobowe PC1‒PC5 oraz samochody

dostawcze LDV1‒LDV4, prowadzono na dwóch trasach pomiarowych,

zlokalizowanych na terenie Poznania. Przebieg pierwszej (krótszej) trasy badawczej

zaprezentowano na rysunku 5.20. Jej sumaryczna długość wynosiła około 11 km.

Charakterystyka trasy (tab. 7.1) była dość zróżnicowana pod względem warunków

ruchu. Trasa składała się bowiem z odcinków o ruchu typowo miejskim, jak również

pozamiejskim, gdy istniała możliwość uzyskania większej prędkości jazdy (70 km/h).

Obraną trasę badawczą nr 1 ze względu na zmienność parametrów ruchu

podzielono na cztery części (odcinki pomiarowe):

‒ ruch miejski o dużym natężeniu – duży udział postoju pojazdu (2,5 km – 24 %

trasy przejazdu),

‒ ruch pozamiejski – droga szybkiego ruchu, prędkość dopuszczalna 70 km/h (1 km

– 10 % trasy przejazdu),

‒ ruch miejski o małym natężeniu (około 2 km – 17 % trasy przejazdu),

‒ ruch mieszany – część odcinka to droga szybkiego ruchu o prędkości

dopuszczalnej wynoszącej 70 km/h (około 5 km – 49 % trasy przejazdu).

Tabela 7.1. Charakterystyka trasy badawczej nr 1

Odcinek Początek Koniec Długość [km]

(udział w teście)

1A–2 Politechnika

Poznańska

Rondo

Starołęka

2,5

(24 %)

2–3 Rondo

Starołęka

Rondo

Żegrze

1,0

(10 %)

3–4 Rondo

Żegrze Wiadukt

1,9

(17 %)

4–1B Wiadukt Politechnika

Poznańska

5,3

(49 %)

Cała trasa

1A–1B

Politechnika

Poznańska

Politechnika

Poznańska

10,7

(100 %)

Przebieg drugiej, dłuższej trasy badawczej zaprezentowano na rysunku 5.21. Jej

sumaryczna długość wynosiła około 15 km (tab. 7.2). Charakterystyka tej trasy była

również znacznie zróżnicowana pod względem warunków ruchu. Podobnie jak

pierwsza, składała się z odcinków o ruchu miejskim i pozamiejskim, jednak istniała na

niej możliwość uzyskania prędkości jazdy wynoszącej o 10 km/h więcej. Należy w tym

- 118 -

miejscu zaznaczyć, iż badania w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdów

rozpoczynano, gdy jednostki napędowe samochodów badawczych osiągnęły właściwą

temperaturę pracy.

Trasę badawczą nr 2 ze względu na wspominaną zmienność parametrów ruchu

podzielono na pięć części (odcinków pomiarowych):

‒ ruch miejski o dużym natężeniu – duży udział postoju pojazdu (około 4,5 km –

30 % trasy przejazdu),

‒ ruch miejski o małym natężeniu (2,5 km – 16 % trasy przejazdu),

‒ ruch pozamiejski – droga szybkiego ruchu, prędkość dopuszczalna 70 km/h (1 km

– 6 % trasy przejazdu),

‒ ruch mieszany – część odcinka to droga szybkiego ruchu, prędkość dopuszczalna

80 km/h (około 4 km – 26 % trasy przejazdu),

‒ ruch mieszany – część odcinka to drogi wewnętrzne (około 3 km – 22 % trasy

przejazdu).

Tabela 7.2. Charakterystyka trasy badawczej nr 2

Odcinek Początek Koniec Długość [km]

(udział w teście)

1A–2 Centrum

handlowe

Politechnika

Poznańska

4,6

(30 %)

2–3 Politechnika

Poznańska

Rondo

Starołęka

2,5

(16 %)

3–4 Rondo

Starołęka

Rondo

Żegrze

1,0

(6 %)

4–5 Rondo

Żegrze Wiadukt

3,9

(26 %)

5–1B Wiadukt Centrum

handlowe

3,2

(22 %)

Cała trasa

1A–1B

Centrum

handlowe

Centrum

handlowe

15,2

(100 %)

Zanim przystąpiono do zasadniczych badań mających na celu określenie wpływu

stylu jazdy kierowcy na emisję spalin i zużycie paliwa przez pojazd, przeprowadzono

badania wstępne, rozpoznawcze. Wykonano po kilka przejazdów trasą badawczą nr 1,

stosując tylko styl jazdy przyjęty jako jazda normalna i jazda agresywna. Za obiekt

badań posłużył samochód osobowy wyposażony w napęd alternatywny w postaci

układu hybrydowego – PC5.

W celu określenia warunków jazdy w każdym z analizowanych przejazdów – styl

normalny i agresywny – badanym samochodem z napędem hybrydowym, między

innymi na podstawie danych pochodzących z systemu diagnostyki pokładowej pojazdu

OBD, dokonano zestawienia kilku podstawowych parametrów ruchu. Przedmiotowego

porównania warunków jazdy dokonano zarówno dla poszczególnych odcinków

pomiarowych (rys. 7.1), jak i całej trasy przejazdu (rys. 7.2). Z powodu badań

przeprowadzanych w warunkach rzeczywistych, wartości parametrów ruchu dla obu

rodzajów przejazdów nieznacznie się różnią.

- 119 -

a) b)

c) d)

Rys. 7.1. Udział warunków ruchu dla odcinka (trasa 1): a) 1A–2, b) 2–3, c) 3–4, d) 4–1B

Rys. 7.2. Udział warunków ruchu dla całej trasy przejazdu (trasa 1) – pojazd PC5

Bazując na zmierzonej zawartości poszczególnych gazowych związków

szkodliwych w spalinach obliczono emisję drogową tlenku węgla, dwutlenku węgla,

węglowodorów oraz tlenków azotu dla wszystkich odcinków pomiarowych (rys. 7.3

i 7.4). Przejazdy poszczególnych odcinków pomiarowych w zakresie zmienności stylu

jazdy kierowcy cechują się różną emisją składników szkodliwych spalin w postaci CO,

CO2, HC i NOx. Należy wskazać na znaczny wzrost emisji tych czterech gazowych

związków chemicznych przy jeździe agresywnej, mimo zastosowanego układu

oczyszczania spalin w badanym pojeździe (trójfunkcyjny reaktor katalityczny TWC).

- 120 -

a) b)

Rys. 7.3. Emisja drogowa tlenku węgla (a) i dwutlenku węgla (b) przez pojazd PC5 (trasa 1)

a) b)

Rys. 7.4. Emisja drogowa węglowodorów (a) i tlenków azotu (b) przez pojazd PC5 (trasa 1)

W wyniku przeprowadzonych badań odnotowano dla odcinka pierwszego (1A–2)

znaczący wzrost emisji drogowej tlenku węgla – z 0,40 do 0,54 g/km (rys. 7.3a) oraz

tlenków azotu (z 0,70 do 0,88 g/km; rys. 7.4b). Na tym tle wzrost emisji drogowej

dwutlenku węgla i węglowodorów o około 15 % nie jest wartością zbyt wysoką (rys.

7.5 i 7.6).

Jazda drogą szybkiego ruchu – odcinek 2–3 cechujący się najmniejszym udziałem

postoju pojazdu oraz największą średnią prędkością przejazdu – przy zmianie sposobu

jazdy nie powoduje znacznego wzrostu emisji drogowej tlenków azotu. Zmiana stylu

jazdy na agresywny powoduje jedynie 8-procentową zmianę emisji tych związków (rys.

7.6b). Jeśli chodzi o pozostałe trzy związki chemiczne (CO, CO2 i HC) to

zaobserwowano bardzo dużą zmianę w wartości emisji drogowej tego pierwszego

(aż o ok. 160 %) oraz znaczną zmianę emisji dwóch pozostałych – o 20 % (rys. 7.5

i 7.6). Tak duże różnice wynikają jednak z wykonanego w trakcie przejazdu

agresywnego dynamicznego manewru wyprzedzania innego pojazdu.

Trzeci odcinek trasy badawczej nr 1 – dojazdowy do typowej jazdy miejskiej

o dużym natężeniu ruchu – cechował się porównywalnymi, jak w przypadku odcinka

2–3 procentowymi różnicami w emisji drogowej CO2 i NOx (odpowiednio 17 oraz 9

%). Dla rozpatrywanego odcinka 3–4 nadal względna emisja drogowa tlenku węgla (dla

przejazdu agresywnego w porównaniu z normalnym) jest duża i wynosi ponad 50 %.

Jeszcze większy wzrost emisji wystąpił dla węglowodorów – około 90 %.

- 121 -

a) b)

Rys. 7.5. Wzrost emisji drogowej tlenku węgla (a) i dwutlenku węgla (b)

w wyniku zastosowania jazdy agresywnej – pojazd PC5

a) b)

Rys. 7.6. Wzrost emisji drogowej węglowodorów (a) i tlenków azotu (b)

w wyniku zastosowania jazdy agresywnej – pojazd PC5

Czwarty odcinek trasy badawczej nr 1 (4–1B) charakteryzował się typową jazdą

miejską o dużym natężeniu ruchu, występowaniem zjawiska kongestii drogowej i tym

samym dużym procentowym udziałem postoju pojazdu (rys. 7.1d). Stąd dla tego

odcinka pomiarowego odnotowano najmniejsze wartości średniej prędkości jazdy.

Częste zatrzymania pojazdu i ruszania z miejsca spowodowały duży wzrost emisji

drogowej tlenku węgla i węglowodorów wobec wartości uzyskanych dla pozostałych

dwóch analizowanych składników spalin. Wynika to m.in. z obniżania się temperatury

pracy reaktora katalitycznego (działanie systemu start-stop) i tym samym zmniejszania

stopnia konwersji CO i HC. System wyłączający jednostkę napędową pojazdu PC5

w trakcie postoju sprawdził się jednak w kwestii emisji drogowej dwutlenku węgla

i tlenków azotu z badanego samochodu. Zarówno podczas przejazdu normalnego, jak

i agresywnego działanie systemu start-stop pozwoliło na uzyskanie małej emisji

drogowej CO2 i NOx (rys. 7.3 i 7.4). Odnotowano przy tym dla tych substancji

szkodliwych przy jeździe agresywnej emisję większą odpowiednio o około 10 i 20 %.

Analiza przejazdu całej trasy badawczej nr 1 przez pojazd PC5 wskazuje na

znaczny wzrost emisji drogowej tlenków azotu podczas jazdy agresywnej w stosunku

do jazdy normalnej – z 0,64 do 0,78 g/km, co stanowi wzrost o nieco ponad 20 %.

Emisja drogowa dwutlenku węgla wzrasta w podanych warunkach w najmniejszym

stopniu (niecałe 20 %). Największe zmiany, a więc największy wpływ stylu jazdy

- 122 -

kierowcy odnotowano dla pomiarów emisji drogowej węglowodorów. W ich przypadku

podczas jazdy agresywnej zanotowano wzrost w stosunku do jazdy normalnej o 44 %.

Z wykonanych pomiarów wynika, że styl jazdy kierowcy znacznie wpływa na

wartości emisji drogowej:

– wyraźne zmiany emisji odnotowuje się podczas zmiany stylu jazdy w warunkach

jazdy z większymi prędkościami – małym natężeniem ruchu. Przykładowo emisja

drogowa tlenku węgla wzrasta o około 50 % a dwutlenku węgla o 20 %,

– podczas przejazdów w warunkach ruchu miejskiego odnotowano maksymalne –

bądź zbliżone do maksymalnych – wartości emisji drogowej wszystkich czterech

analizowanych składników szkodliwych spalin (przy przejeździe standardowym,

jak również podczas jazdy agresywnej),

– analiza całej trasy badawczej wskazuje na największy wzrost emisji drogowej

węglowodorów (prawie 45 %) oraz na porównywalny przyrost emisji drogowej

dwutlenku węgla i tlenków azotu – na poziomie około 20 %.

Wykonane badania drogowe samochodu osobowego z napędem hybrydowym

w rzeczywistych warunkach jego ruchu (eksploatacji) uwidoczniły znaczący wpływ

stosowanego przez kierowcę stylu jazdy, zarówno na emisję kilku głównych substancji

szkodliwych spalin, jak również na przebiegowe zużycie paliwa przez badany pojazd

(rys. 7.7).

Rys. 7.7. Wzrost zużycia paliwa przez pojazd PC5

w wyniku zastosowania jazdy agresywnej

Po wstępnym rozpoznaniu mogących się pojawić zależności w wartościach emisji

spalin przy zastosowaniu różnego sposobu prowadzenia pojazdu przez kierowcę,

przeprowadzono badania zasadnicze, mające na celu określenie wpływu stylu jazdy

kierowcy na emisję spalin i zużycie paliwa przez pojazd. Tym razem uczyniono to ze

szczególnym zwróceniem uwagi na stosowanie w trakcie jazdy zasad eco-drivingu.

Aby określić warunki jazdy w każdym z trzech analizowanych przejazdów –

eco-driving, jazda normalna i agresywna – badanym samochodem dostawczym

(LDV1), podobnie jak w przypadku pojazdu PC5, dokonano zestawienia kilku

podstawowych parametrów ruchu: przyspieszenie pojazdu (rys. 7.9), jazda ze stałą

prędkością, postój. Porównanie warunków jazdy dla całej trasy badawczej

przedstawiono na rys. 7.8. O nieznacznych różnicach w warunkach jazdy, w związku

- 123 -

z charakterem badań drogowych, świadczy zwłaszcza czas przejazdu danego odcinka

pomiarowego.

W celu porównania warunków pracy jednostki napędowej badanego pojazdu

w trakcie przejazdów, w których stosowano odmienny sposób sterowania układem

napędowym, wyznaczono charakterystyki gęstości czasowej silnika (rys. 7.10). Silnik

samochodu badawczego w przeważającej części pracował na biegu jałowym (prędkość

obrotowa około 800 obr/min). Widoczne obciążenie silnika na poziomie 20 %

zarejestrowane przez system OBD odzwierciedla mechaniczne opory własne silnika,

które musi on pokonywać (wewnętrzne i zewnętrzne). W przypadku eco-drivingu i

jazdy agresywnej bieg jałowy stanowi ok. 25 % całkowitego czasu pracy jednostki

napędowej, natomiast w przypadku jazdy normalnej udział ten jest większy

o prawie 10 %. Wynika to z dłuższego czasu postoju pojazdu oraz stosowania jazdy

wybiegiem (rys. 7.8).

Rys. 7.8. Udział warunków ruchu dla całej trasy przejazdu (odcinek 1A–1B) – pojazd LDV1

Rys. 7.9. Zmiany chwilowego przyspieszenia pojazdu LDV1 w czasie (odcinek 1A–1B)

- 124 -

a) b)

c)

Rys. 7.10. Porównanie charakterystyk pracy silnika spalinowego (LDV1):

a) eco-driving, b) jazda normalna, c) jazda agresywna

Bazując na zmierzonym stężeniu szkodliwych składników w spalinach obliczono

natężenie emisji dla wszystkich czterech odcinków pomiarowych. Przykładowe

przebiegi natężenia emisji wybranych związków szkodliwych dla jednego z odcinków

pomiarowych przedstawiono na rysunkach 7.11 i 7.12. Na podstawie otrzymanego

w wyniku obliczeń natężenia emisji, obliczono w dalszej kolejności emisję drogową

analizowanych związków gazowych dla każdego odcinka pomiarowego oraz całej trasy

badawczej (rys. 7.13).

a) b)

Rys. 7.11. Natężenie emisji na odcinku 4–1B: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla

- 125 -

Rys. 7.12. Natężenie emisji dwutlenku węgla na odcinku 4–1B

(kolor: różowy – eco-driving, żółty – j. normalna, czerwony – j. agresywna)

a) b)

c) d)

Rys. 7.13. Wartości emisji drogowej dla poszczególnych odcinków pomiarowych (LDV1):

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

W wyniku przeprowadzonych badań odnotowano dla stylu jazdy określanego

mianem eco-drivingu najmniejszą, a dla stylu jazdy agresywnej największą emisję

drogową wszystkich substancji szkodliwych emitowanych z układu wylotowego

pojazdu badawczego LDV1. Na widoczne większe bądź mniejsze różnice w poziomie

emisji składników spalin, określonym dla poszczególnych odcinków pomiarowych,

mogą w pewnym stopniu mieć wpływ nieco inne warunki panujące na drodze w trakcie

- 126 -

wykonywania jazd testowych. Przykładowo jest to większe zjawisko kongestii

drogowej, a tym samym większy udział postoju pojazdu.

W przypadku emisji drogowej tlenku węgla dla całej trasy badawczej odnotowano

w kolejności około: 0,84, 0,93 i 1,1 g/km. Daje to różnice procentowe względem jazdy

normalnej na poziomie –9,9 % dla eco-drivingu oraz +17,7 % dla jazdy agresywnej

(rys. 7.14a). Różnice procentowe w emisji drogowej dwutlenku węgla natomiast

wynoszą odpowiednio: –6,9 i +24,6 % (rys. 7.14b). Najmniejsze różnice w emisji

drogowej odnotowano dla węglowodorów. Natomiast w przypadku tlenków azotu

należy zwrócić szczególną uwagę na ponad 40-procentowy wzrost ich emisji w wyniku

zastosowania przez kierowcę agresywnego stylu jazdy – cała trasa przejazdu (rys.

7.14d).

a) b)

c) d)

Rys. 7.14. Procentowe różnice w emisji w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy (jazda

normalna = 100 %): a) tlenek węgla, b) dwutlenek węgla, c) węglowodory, d) tlenki azotu

Oprócz określenia wpływu zastosowanego sposobu jazdy na emisję substancji

szkodliwych w spalinach badanego pojazdu użytkowego określono również wpływ tego

sposobu na ilość zużywanego przez pojazd paliwa. Wartość przebiegowego zużycia

paliwa dla całej pokonanej trasy, na tle średniego przyspieszenia, zobrazowano na

rysunku 7.15. Różnice względem jazdy normalnej wynoszą około: –0,44 i +1,64

dm3/100 km. Daje to zmniejszenie zużycia paliwa o 6,6 % (eco-driving) oraz

zwiększenie o 24,6 % (jazda agresywna; rys. 7.16).

- 127 -

Rys. 7.15. Przebiegowe zużycie paliwa określone dla całej trasy przejazdu (LDV1)

Rys. 7.16. Procentowe różnice w przebiegowym zużyciu paliwa w wyniku

zastosowania różnego stylu jazdy (jazda normalna = 100 %)

Wyniki pomiarów toksyczności spalin, koniecznych do przeprowadzenia analizy

wpływu stylu jazdy kierowcy na emisję substancji szkodliwych i przebiegowe zużycie

paliwa, dla kolejnych z obiektów badań (samochody: PC1, PC2 oraz LDV2, LDV3 i

LDV4) przedstawiono na rysunkach 7.17–7.25.

Dokonując analizy różnic w obliczonych wartościach emisji drogowej

poszczególnych szkodliwych składników spalin dla pojazdów PC2 i LDV2 (rys. 7.19–

7.23), należy w szczególności uzasadnić obserwowane – dla jazdy agresywnej

pojazdem LDV2 – bardzo duże różnice w emisji dwutlenku węgla, węglowodorów i

tlenków azotu na odcinku 3–4. Wynikają one nie tylko z trudniejszych warunków ruchu

niż dla pozostałych dwóch przejazdów, ale także z utrzymywania dużej prędkości

obrotowej silnika w trakcie jazdy – niski bieg (dodatkowo jest to odcinek o znacznym

dodatnim nachyleniu terenu – podjazd).

- 128 -

Rys. 7.17. Natężenie emisji tlenku węgla – trasa badawcza nr 1, pojazd PC1

(kolor: zielony – eco-driving, czerwony – jazda agresywna)

Rys. 7.18. Natężenie emisji dwutlenku węgla – trasa badawcza nr 2, pojazd LDV4

(kolor: zielony – eco-driving, czerwony – jazda agresywna)

a) b)

Rys. 7.19. Emisja drogowa tlenku węgla określona dla pojazdu: a) PC2, b) LDV2

- 129 -

a) b)

Rys. 7.20. Emisja drogowa dwutlenku węgla określona dla pojazdu: a) PC2, b) LDV2

a) b)

Rys. 7.21. Emisja drogowa węglowodorów określona dla pojazdu: a) PC2, b) LDV2

a) b)

Rys. 7.22. Emisja drogowa tlenków azotu określona dla pojazdu: a) PC2, b) LDV2

Rys. 7.23. Emisja drogowa cząstek stałych

określona dla pojazdu LDV2

- 130 -

a) b)

c)

Rys. 7.24. Rozkład wymiarowy cząstek stałych określony dla pojazdu LDV2:

a) eco-driving, b) jazda normalna, c) jazda agresywna

a) b)

Rys. 7.25. Rozkład wymiarowy cząstek stałych określony dla pojazdu LDV3 (a) i LDV4 (b)

Procentowe różnice w obliczonych wartościach emisji drogowej poszczególnych

szkodliwych składników spalin przez badane pojazdy z grupy PC i LDV

zaprezentowano na rysunkach 7.26–7.30. Przy zastosowaniu przez kierowcę stylu jazdy

agresywnej w większości przypadków uzyskuje się zwiększenie emisji drogowej

substancji toksycznych (CO, HC, NOx, PM) o 10‒20 %. Natomiast stosowanie zasad

eco-drivingu skutkuje zmniejszoną emisją tych substancji, maksymalnie do 10 %.

- 131 -

a) b)

Rys. 7.26. Procentowe różnice w emisji drogowej CO w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy

(względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV

a) b)

Rys. 7.27. Procentowe różnice w emisji drogowej CO2 w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy

(względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV

a) b)

Rys. 7.28. Procentowe różnice w emisji drogowej HC w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy

(względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV

a) b)

Rys. 7.29. Procentowe różnice w emisji drogowej NOx w wyniku zastosowania różnego stylu jazdy

(względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV

- 132 -

Rys. 7.30. Procentowe różnice w emisji drogowej PM w wyniku zastosowania

różnego stylu jazdy (względem jazdy normalnej) – pojazdy typu LDV

Wartości przebiegowego zużycia paliwa, jakie zostały odnotowane po pokonaniu

trasy badawczej, przedstawiono na rysunku 7.31. W przypadku pojazdów PC2 i LDV2

różnice względem jazdy normalnej wynoszą odpowiednio: –0,25 i –0,20 dm3/100 km

(eco-driving) oraz +0,67 i +0,45 dm3/100 km (jazda agresywna). Uzyskano tym samym

zmniejszenie przebiegowego zużycia paliwa o około 4,6 i 2,6 % oraz zwiększenie

o 12,2 i 6,1 % (rys. 7.32).

a) b)

Rys. 7.31. Przebiegowe zużycie paliwa przez pojazd: a) PC2, b) LDV2

a) b)

Rys. 7.32. Procentowe różnice w przebiegowym zużyciu paliwa w wyniku zastosowania

różnego stylu jazdy (względem jazdy normalnej): a) pojazdy typu PC, b) pojazdy typu LDV

- 133 -

Wykonane badania drogowe pojazdów typu PC i LDV w rzeczywistych

warunkach ich eksploatacji miały charakter badań rozpoznawczych z istotnym

aspektem możliwości aplikacyjnych ich wyników. Uwidoczniły one znaczący

wpływ stosowanego przez kierowcę stylu jazdy na emisję substancji szkodliwych

w spalinach oraz przebiegowe zużycie paliwa. Należy wskazać na znaczny wzrost

wartości emisji drogowej tych związków w wyniku zastosowania jazdy agresywnej

oraz zauważalny spadek wartości emisji przy zastosowaniu ekologicznego

i ekonomicznego stylu jazdy – eco-drivingu. Na drogach dość często można

zaobserwować stosowanie przez kierowców dynamicznego, a nawet bardzo

agresywnego sposobu poruszania się pojazdem. Mając na uwadze wnioski

wyciągnięte z przeprowadzonych badań warto podkreślić, że może to nie tylko

wpływać negatywnie na ekonomię eksploatacji pojazdów silnikowych, ale również

na środowisko naturalne oraz bezpieczeństwo jazdy. Stwierdzenie to dotyczy

wszystkich rodzajów pojazdów, wyposażonych zarówno w napęd konwencjonalny,

jak również napęd alternatywny. Warto więc racjonalnie podchodzić do kwestii

sposobu eksploatacji – styl jazdy – wszelkich pojazdów samochodowych. Słuszne

zatem wydaje się być istnienie różnego rodzaju szkół doskonalenia techniki jazdy,

w tym szkół jazdy ekologicznej i ekonomicznej (eco-drivingu).

- 134 -

7.2. Badania drogowe pojazdów ciężkich

Pomiary toksyczności spalin w rzeczywistych warunkach ruchu pojazdów

ciężkich typu HDV wykonano na terenie aglomeracji poznańskiej (HDV1), trasie

wiodącej z Poznania do Wrześni i z powrotem (HDV2) oraz w mieście Koło i jego

okolicach (HDV3). Przykładowo, przebieg dwóch z tras badawczych (nr 3 i 4)

przedstawiono na rysunkach 5.22 i 5.23. Ich charakterystyka była zróżnicowana pod

względem warunków ruchu. Trasa nr 3 składała się bowiem z odcinka o ruchu typowo

miejskim (3–1), jak również pozamiejskim, gdy istniała możliwość uzyskania większej

prędkości jazdy – 70 km/h (2–3) oraz mieszanym (1–2). Natomiast trasa

Poznań–Września–Poznań podzielona została na następujące trzy odcinki pomiarowe:

1–2 (ruch miejski), 2–3 (ruch autostradowy) oraz 3–1 (ruch mieszany, głównie

pozamiejski). Dla rozróżnienia odcinków pomiarowych obu tras, w przypadku trasy

nr 4 wprowadzono dodatkowe oznaczenia: „Miasto” – odcinek 1–2, „A2” (2–3) oraz

„Droga 92” (3–1).

W związku z powyższym w przypadku trasy badawczej nr 4, na której badany był

pojazd HDV2, uzyskano najbardziej zróżnicowane wyniki badań – występowanie

największego zróżnicowania warunków ruchu (ruch miejski, pozamiejski,

autostradowy). Na rysunkach 7.33–7.36 przedstawiono przykładowe obliczone

natężenie emisji cząstek stałych, poglądowo także naniesione na trasę przejazdu.

a)

b)

Rys. 7.33. Wyniki badań pojazdu HDV1: a) natężenie emisji cząstek stałych,

b) przyspieszenie uzyskiwane przez pojazd

- 135 -

Rys. 7.34. Natężenie emisji cząstek stałych – trasa badawcza nr 3

(kolor: zielony – eco-driving, czerwony – jazda agresywna)

Rys. 7.35. Natężenie emisji cząstek stałych – pojazd HDV2

Rys. 7.36. Natężenie emisji cząstek stałych – trasa badawcza nr 4

(kolor: zielony – eco-driving, czerwony – jazda agresywna)

- 136 -

Określone natężenie emisji poszczególnych (gazowych i stałych) szkodliwych

składników spalin posłużyło do obliczenia ich emisji drogowej. Wartości tej emisji

wyznaczone dla odcinków pomiarowych jednej z tras badawczych zaprezentowano na

rysunku 7.37, natomiast dla całej trasy przejazdu na rysunku 7.38. Dla poszczególnej

całej trasy badawczej, określono również przebiegowe zużycie paliwa przez dany

pojazd (rys. 7.39).

a) b)

c) d)

Rys. 7.37. Wartości emisji drogowej dla poszczególnych odcinków pomiarowych (HDV2):

a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) tlenków azotu, d) cząstek stałych

a) b)

c) d)

Rys. 7.38. Wartości emisji drogowej dla całej trasy przejazdu: a) tlenku węgla,

b) dwutlenku węgla, c) tlenków azotu, d) cząstek stałych

- 137 -

Rys. 7.39. Przebiegowe zużycie paliwa przez poszczególny pojazd

typu HDV (określone dla całej trasy przejazdu)

W związku z tym, że obiekty badań były wyposażone w różne układy

napędowe (moc silnika, klasa emisyjna) dostrzegalne jest znaczne zróżnicowanie

zarówno w emisji drogowej substancji szkodliwych, jak i przebiegowym zużyciu

paliwa przez poszczególny badany pojazd z grupy HDV (rys. 7.39 i 7.40). Ponadto

badane pojazdy cechowały się różną masą własną i przewożonym ładunkiem. Dla

przykładu przejazdy pojazdem oznaczonym jako HDV2 odbywały się „na pusto”

(bez ładunku), a przejazdy pojazdem HDV3 z ładunkiem o masie około 25 000 kg.

Dla wszystkich obiektów badań daje się jednak zauważyć podobny wpływ

stosowanego przez kierowcę różnego sposobu jazdy. Uzyskano oszczędności

w zużyciu paliwa oraz zmniejszenie emisji związków szkodliwych spalin na

poziomie kilku procent (eco-driving względem jazdy normalnej) oraz pogorszenie

właściwości ekologicznych i ekonomicznych pojazdu w wyniku stosowania jazdy

agresywnej o kilkanaście procent.

- 138 -

8. Propozycja zaleceń dotyczących sposobu jazdy

z uwzględnieniem wyników pracy

Jak wynika z przedstawionych wyników badań drogowych sposób eksploatacji

pojazdów samochodowych (stosowany styl jazdy) jest bardzo ważny w kwestii

zmniejszenia ich negatywnego oddziaływania na środowisko. Zadaniem tzw.

ekokierowcy jest między innymi utrzymywanie możliwie długo jednostajnej prędkości

i unikanie dynamicznego hamowania. Na tej podstawie można zidentyfikować

następujące parametry kontrolne, na które należy zwrócić uwagę w procesie szkolenia

bądź monitorowania pracy kierowcy: prędkość pojazdu, jego przyspieszenie lub

opóźnienie oraz prędkość obrotową silnika. Analizę takich danych umożliwia rejestrator

parametrów ruchu pojazdu, monitorujący dodatkowo dane odczytywane z pokładowych

systemów informatycznych, takich jak OBDII, EOBD, czy też SAE J1939.

Funkcjonalność rejestratora pozwala również na jego zastosowanie w procesie

szkolenia według zasad eco-drivingu.

W obliczu wysokich cen paliw firmy transportowe starają się oszczędzać

wszystkie koszty i nakłaniają swoich kierowców do bardziej ekonomicznej jazdy.

Niekiedy w szkolenia i dokształcanie inwestuje się sporo czasu oraz ponosi się znaczne

koszty, ale nie przynosi to zadowalających efektów. Przeprowadzanie bowiem

jednorazowych szkoleń czy treningów najczęściej nie wystarcza, by na stałe zmienić

nawyki kierowców. Szczególnie wśród doświadczonych kierowców zmiana nawyków

i zachowań, związanych ze stylem jazdy, nie jest łatwym zadaniem.

Zgodnie z zamierzeniem autora pracy, wyznaczone zależności, dotyczące wpływu

stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję szkodliwych składników spalin,

powinny stanowić wymierną wiedzę wykorzystywaną np. w trakcie szkolenia

kierowców według zasad ekologicznej i ekonomicznej jazdy oraz do popularyzacji tego

sposobu eksploatacji pojazdów silnikowych. Oczekuje się, że będzie to środek

pozwalający na uświadomienie kierowców, jaki wpływ na wartość zużycia paliwa

i emisję spalin ma ich zachowanie na drodze podczas codziennej pracy.

Na podstawie wyników przeprowadzonych badań drogowych kilkunastu

pojazdów, należących do kategorii homologacyjnych M i N, sformułowano zalecenia

odnośnie do ekologicznej i ekonomicznej jazdy pojazdem samochodowym. Dokonano

tego stosując podział całej czynności jazdy na trzy fazy (rys. 8.1).

postój postójrozpędzanie jazda hamowanie

dynamika

liczba biegów

prędkość jazdy

prędkość obrotowa silnika

redukcja biegów –hamowanie silnikiem

jazda wybiegiem i stosowanie hamulców

Rys. 8.1. Wyodrębnione trzy fazy ruchu pojazdu

- 139 -

Uwzględniając analizę wyników badań drogowych (w różnych warunkach pracy

silników) pojazdów typu PC, LDV i HDV, sformułowano jakościowe (wartości

ilościowe z badań zostaną przedstawione we wnioskach szczegółowych) propozycje

zaleceń dotyczących sposobu jazdy, mające na celu ograniczenie negatywnego

oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne. Zmniejszenie zużycia paliwa przez

pojazdy oraz emisji składników szkodliwych spalin można uzyskać w wyniku:

‒ unikania maksymalnego naciskania pedału przyspieszenia (otwarcia przepustnicy

w silniku ZI),

‒ unikania zbyt powolnego rozpędzania pojazdu i powolnej zmiany biegów – długa

jazda na dużej prędkości obrotowej silnika,

‒ stosowania dość dynamicznego przyspieszania pojazdem, w połączeniu ze zmianą

biegów przy małej prędkości obrotowej,

‒ szybkiego uzyskiwania maksymalnego biegu, możliwego do zastosowania

w danych warunkach ruchu,

‒ stosowania długotrwałej jazdy na małym przełożeniu w skrzyni przekładniowej,

‒ zmniejszenia do wymaganego minimum przyspieszeń i hamowań,

‒ stosowania hamowania silnikiem (redukcja biegów) zamiast jazdy wybiegiem –

jeśli planowane jest zatrzymanie lub spowolnienie ruchu,

‒ ograniczenia do minimum czasu jazdy z dużymi prędkościami.

Powyższe zalecenia odnośnie do prawidłowego sposobu jazdy należy promować

w środowisku motoryzacyjnym, w celu zwiększenia zainteresowania nimi wśród

kierujących pojazdami. Najważniejszymi korzyściami dla właścicieli pojazdów

stosujących zasady z zakresu eco-drivingu mogą być kolejno:

‒ mniejsze przebiegowe zużycie paliwa,

‒ wolniejsze zużywanie się niektórych podzespołów pojazdu,

‒ mniejsze ryzyko kolizji lub wypadku, dzięki skrupulatnej obserwacji drogi,

szybszemu dostrzeganiu trudności i przeszkód oraz spokojniejszej reakcji na

zagrożenia,

‒ mniejsza emisja substancji szkodliwych w spalinach.

- 140 -

9. Zakończenie

9.1. Wnioski

W pracy wykonano analizę, która miała doprowadzić do zrealizowania jej celów

i udowodnienia sformułowanej tezy badawczej. Poznanie wpływu stosowanego przez

kierowcę sposobu jazdy na środowisko naturalne wymagało przeprowadzenia

pomiarów toksyczności spalin, przy wykorzystaniu mobilnej aparatury badawczej typu

PEMS, w rzeczywistych warunkach ruchu. Dokonano oceny zachowania kierowcy na

drodze, w połączeniu z określeniem wielkości emisji spalin w trakcie jazdy. W celu

określenia pełnych korzyści ekologicznych, ocenę emisyjności (w zależności od

przyjętej „taktyki” jazdy) wykonano dla różnych warunków pracy pojazdu i silnika.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów opracowano zależności dotyczące

wpływu stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję spalin. Uzyskano tym samym

odpowiedzi na postawione pytania badawcze, które dotyczyły określenia poprawnego

sposobu rozpędzania, jazdy oraz hamowania pojazdem, w celu uniknięcia dużej emisji

substancji szkodliwych w spalinach oraz dużego zużycia paliwa przez ten pojazd. Na tej

podstawie można stwierdzić, że zrealizowano główny cel pracy, którym było:

Określenie wpływu stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa

i emisję substancji szkodliwych w spalinach

Na podstawie przeprowadzonych badań własnych i analiz ich wyników

sformułowano następujące wnioski główne i metodologiczne (tab. 9.1 i 9.2):

1) Wykazano, że w trakcie czynności rozpędzania pojazdu uzyskuje się bardzo dużą

emisję substancji szkodliwych z układu wylotowego pojazdu oraz zużywa on

w tym czasie dużą ilość paliwa.

2) Dowiedziono, że maksymalne naciśnięcia pedału przyspieszenia powoduje nawet

kilkukrotnie większą emisję niektórych z substancji szkodliwych zawartych

w spalinach (przeważnie CO, HC).

3) Wykorzystanie w trakcie rozpędzania pojazdu maksymalnej, na dane warunki

ruchu, liczby biegów skutkuje małą emisją spalin oraz przebiegowym zużyciem

paliwa; biegi należy przy tym zmieniać przy małej prędkości obrotowej silnika –

powodować duże jego obciążenie.

4) Wykazano, że szczególnie korzystna w aspekcie ekologicznego i ekonomicznego

użytkowania pojazdów jest jazda na małym przełożeniu w skrzyni przekładniowej

(wysoki bieg), przy małej prędkości obrotowej silnika.

5) Przekroczenie prędkości jazdy 90 km/h, uważanej powszechnie za tzw.

ekonomiczną, powoduje znaczący wzrost emisji gazowych związków

szkodliwych spalin oraz przebiegowego zużycia paliwa przez pojazd.

6) Stosowanie hamowania silnikiem, w wyniku redukcji biegów, w miejsce jazdy

wybiegiem w fazie nienapędowej ruchu pojazdu skutkuje znaczącym

zmniejszeniem emisji drogowej wszystkich substancji szkodliwych w spalinach.

- 141 -

7) Unikanie biegu jałowego i luzem silnika – jazda wybiegiem, a zamiast tego

stosowanie hamowania silnikiem przyczynia się również do zauważalnego

zmniejszenia ilości zużywanego przez pojazd paliwa.

8) Wykazano, że stosowanie przez prowadzącego pojazd samochodowy zasad jazdy

ekologicznej i ekonomicznej (eco-drivingu), powoduje znaczące zmniejszenie

zawartości CO, CO2, HC, NOx oraz PM w spalinach.

9) Zmniejszenie emisji spalin, a przy tym i przebiegowego zużycia paliwa przez

pojazd, w wyniku stosowania zasad eco-drivingu, jest dostrzegalne zwłaszcza

w warunkach jazdy miejskiej – duże natężenie ruchu, częste przyspieszanie

i hamowanie oraz postój (kongestia).

10) Pokładowy rejestrator parametrów ruchu pojazdu pozwolił na ilościowe

określenie dynamiki jazdy kierowcy – pomiar wartości przyspieszenia w osi

wzdłużnej x.

11) Przeprowadzone badania drogowe pozwoliły określić indeks agresywności jazdy

(Iagr), na podstawie którego zdefiniowano trzy style jazdy kierowcy: eco-driving,

jazda normalna, jazda agresywna.

12) Wykonane badania drogowe toksyczności spalin (aparatura typu PEMS), przy

zastosowaniu przez kierowcę różnych stylów jazdy, pozwoliły na zrealizowanie

głównego celu pracy.

Tabela 9.1. Wpływ sposobu jazdy na emisję spalin i przebiegowe zużycie paliwa

Sposób jazdy

Dane literaturowe Wyniki badań drogowych

zużycie

paliwa emisja

zużycie

paliwa emisja

powolne przyspieszanie b.d.*

umiarkowane przyspieszanie b.d.

dynamiczne przyspieszanie b.d.

jazda na niskim biegu –

duża prędkość

obrotowa silnika b.d.

jazda na wysokim biegu –

mała prędkość

obrotowa silnika b.d.

hamowanie silnikiem –

redukcja biegów b.d.

jazda wybiegiem b.d.

* – brak konkretnych wartości liczbowych; mowa jest tylko, że emisja jest mniejsza lub większa

- 142 -

Tabela 9.2. Weryfikacja korzystności stosowania wybranych sposobów jazdy

na podstawie przeprowadzonych badań drogowych emisji spalin

Rodzaj

pojazdu Sposób jazdy

Badania drogowe

zużycie

paliwa emisja

PC

powolne przyspieszanie – –

umiarkowane przyspieszanie + +

dynamiczne przyspieszanie – –

jazda na niskim biegu –

duża prędkość obrotowa silnika – –

jazda na wysokim biegu –

mała prędkość obrotowa silnika + +

hamowanie silnikiem –

redukcja biegów + +

jazda wybiegiem – –

LDV

powolne przyspieszanie – –

umiarkowane przyspieszanie + +

dynamiczne przyspieszanie – –

jazda na niskim biegu –

duża prędkość obrotowa silnika – –

jazda na wysokim biegu –

mała prędkość obrotowa silnika + +

hamowanie silnikiem –

redukcja biegów + +

jazda wybiegiem – –

HDV

powolne przyspieszanie – –

umiarkowane przyspieszanie + +

dynamiczne przyspieszanie – –

jazda na niskim biegu –

duża prędkość obrotowa silnika – –

jazda na wysokim biegu –

mała prędkość obrotowa silnika + +

hamowanie silnikiem –

redukcja biegów + +

jazda wybiegiem – –

Ponadto z przeprowadzonych badań drogowych wyciągnięto następujące wnioski

szczegółowe.

Badania pojazdów lekkich

W porównaniu do stylu jazdy określanego mianem jazdy normalnej, zastosowanie

zasad eco-drivingu oraz prowadzenie pojazdu w sposób agresywny spowodowało

zmiany wartości względnej emisji drogowej, przedstawione w tabelach 9.3 i 9.4.

Tabela 9.3. Względna zmiana wartości emisji drogowej dla pojazdów typu PC

Parametr Różnica w emisji drogowej [%]

eco-driving jazda agresywna

Składnik

szkodliwy

CO od 4,1 do 1,9 od +5,0 do +34,0

CO2 od 7,1 do 4,5 od +12,4 do +18,0

HC od 6,7 do 5,0 od +8,4 do +44,0

NOx od 9,3 do 3,3 od +17,4 do +22,5

Przebiegowe zużycie paliwa od 6,9 do 4,6 od +12,2 do +20,8

- 143 -

Tabela 9.4. Względna zmiana wartości emisji drogowej dla pojazdów typu LDV

Parametr Różnica w emisji drogowej [%]

eco-driving jazda agresywna

Składnik

szkodliwy

CO od 9,9 do 4,7 od +12,9 do +17,7

CO2 od 6,9 do 2,8 od +5,9 do +24,6

HC od 11,1 do 1,7 od +1,7 do +15,6

NOx od 7,3 do 4,2 od +7,6 do +43,4

PM od 10,8 do 7,0 od +14,1 do +22,8

Przebiegowe zużycie paliwa od 6,6 do 2,6 od +6,1 do +24,6

Badania pojazdów ciężkich

W porównaniu do stylu jazdy określanego mianem jazdy normalnej, zastosowanie

zasad eco-drivingu oraz prowadzenie pojazdu w sposób agresywny spowodowało

zmiany wartości względnej emisji drogowej, przedstawione w tabeli 9.5.

Tabela 9.5. Względna zmiana wartości emisji drogowej dla pojazdów typu HDV

Parametr Różnica w emisji drogowej [%]

eco-driving jazda agresywna

Składnik

szkodliwy

CO od 6,9 do 3,8 od +13,1 do +18,1

CO2 od 6,1 do 2,7 od +5,1 do +10,0

NOx od 6,9 do 6,7 od +11,6 do +20,6

PM od 6,8 do 4,9 od +10,3 do +18,4

Przebiegowe zużycie paliwa od 5,8 do 3,2 od +5,5 do +9,8

Podsumowując, należy stwierdzić że przedstawione wyniki badań drogowych

pojazdów oraz wyciągnięte wnioski pozwoliły na udowodnienie zawartej w trzecim

rozdziale tezy pracy:

Możliwe jest zmniejszenie emisji drogowej substancji szkodliwych

w spalinach oraz zużycia paliwa przez pojazd

przy wykorzystaniu zasad eco-drivingu

Pozytywny rezultat pracy, polegający m.in. na udowodnieniu powyższej tezy,

pozwoli na zastosowanie uzyskanych wyników w praktyce. Zastosowanie praktyczne:

propagowanie ekologicznego stylu jazdy wśród kierowców – doskonalenie techniki

jazdy. Jest to szczególnie ważne w aspekcie polityki projakościowej przedsiębiorstw

(w tym komunikacyjnych), posiadających duże floty pojazdów.

W związku z uzyskaniem najmniejszych wartości przebiegowego zużycia paliwa

oraz emisji drogowej poszczególnych szkodliwych składników spalin, po zastosowaniu

zasad eco-drivingu, należy podjąć działalność społeczną i włączyć się w kampanie

promujące wśród kierowców ten proekologiczny styl jazdy. Dotyczyć to powinno

wszystkich kierowców, nie tylko zawodowych.

- 144 -

9.2. Kierunki dalszych prac

Mimo, że wyczerpano zagadnienie związane z tematyką pracy, kolejnym krokiem

w pracach naukowo-badawczych może być:

1) przeprowadzenie badań toksyczności spalin większej liczby pojazdów typu PC

i LDV, w tym wyposażonych w napęd alternatywny (hybryda, CNG),

2) przeprowadzenie badań toksyczności spalin większej liczby pojazdów typu HDV,

w szczególności autobusów miejskich 12 i 18-metrowych o napędzie

konwencjonalnym i alternatywnym (hybryda, CNG),

3) przeprowadzenie badań toksyczności spalin pojazdów wyposażonych w skrzynie

zautomatyzowane i automatyczne oraz opracowanie zaleceń dotyczących

eco-drivingu dla tego rodzaju pojazdów,

4) określenie wpływu eco-drivingu na rozkład wymiarowy (więcej pomiarów)

i liczbę cząstek stałych,

5) określenie wpływu eco-drivingu (niskiej prędkości obrotowej przy zmianach

biegów) na drgania w układzie przeniesienia napędu,

6) określenie wpływu eco-drivingu na układy oczyszczania spalin (np. regenerację

filtrów cząstek stałych),

7) przeprowadzenie badań na symulatorze pojazdu (samochód osobowy)

sprzężonym z silnikową hamownią dynamiczną.

- 145 -

Literatura

[1] Andrzejewski M.: Telematyka w służbie ekologii. Samochody Specjalne

nr 9/2012, s. 94–96.

[2] autonews.iogloszenia.com (dostęp z dnia 27.03.2013).

[3] Auto Technika Motoryzacyjna, nr 2 (599) luty 2008.

[4] Auto Technika Motoryzacyjna, nr 4 (601) kwiecień 2008.

[5] AVL Micro Soot Sensor, Transient High Sensitive Soot Measurement, AVL,

2010.

[6] Bielaczyc P., Szczotka A., Kłak W.: Emisja związków szkodliwych spalin

i zużycie paliwa samochodu z silnikiem o zapłonie iskrowym w zależności od

sposobu jazdy kierowców na hamowni podwoziowej. Zeszyty Naukowe OBR SM

BOSMAL, Bielsko-Biała 2005.

[7] Casanova J., Barrios C., Espinosa F.: Capability of on-board emission

measurement systems for driver behavior assessment. International Conference on

Transport and Environment: A global challenge, Technological and Policy

Solutions, Milan, Italy, 19–21 March 2007.

[8] Casanova J., Fonseca N., Espinosa F.: Proposal of a dynamic performance index

to analyze driving pattern effect on car emissions. Proceedings 17th

Transport and

Air Pollution Symposium and 3rd

Environment and Transport Symposium (2009),

Actes INRETS No. 122.

[9] Casanova J., Margenat S., Ariztegui J.: Impact of driving style on pollutant

emissions and fuel consumption for urban cars. Proceedings of the 1st

International Congress of Energy and Environment Engineering and Management,

Portalegre, Portugal, 2005.

[10] Christidis P., Hidalgo I., Soria A.: Dynamics of the introduction of new passenger

car technologies. European Commission, Joint Research Center, Report EUR

20762 EN, 2003.

[11] Cipolla G.: Diesel perspective in global market vision. Silniki

Spalinowe/Combustion Engines, nr 2/2007 (129), s. 33‒37.

[12] Commission of the European Communities. Proposal for a Regulation of the

European Parliament and of the Council: Setting emission performance standards

for new light commercial vehicles as part of the Community’s integrated approach

to reduce CO2 emissions from light-duty vehicles. COM(2009)593 final,

2009/0173(COD). Brussels, 28.10.2009.

[13] Cristea M., Paran F., Delhomme P.: The role of motivations for eco-driving and

social norms on behavioural intentions regarding speed limits and time headway.

World Academy of Science, Engineering and Technology 66/2012.

[14] Engeljehringer K.: Automotive emission testing and certification: past, present

and future. Current and future trends in automotive emissions, fuels, lubricants

and test methods, Bielsko-Biała, 25.05.2011.

[15] European Commission’s Joint Research Centre (JRC): http://ipts.jrc.ec.europa.eu/

(dostęp z dnia 17.04.2012).

- 146 -

[16] Fonseca N., Casanova J., Espinosa F.: Influence of driving style on fuel

consumption and emissions in diesel-powered passenger car. Proceedings 18th

International Symposium Transport and Air Pollution, 18–19 May 2010,

Dübendorf, Switzerland.

[17] Gao Y., Checkel M. D.: Emission factors analysis for multiple vehicles using an

on-board, in-use emissions measurement system. SAE Technical Paper Series

2007-01-1327.

[18] Jamroz K., Oskarbski J.: Inteligentny system transportu dla aglomeracji

trójmiejskiej. Telekomunikacja i techniki informacyjne, nr 12/2009, s. 6676.

[19] Kirwan J. E.: CO2 reduction for spark-ignition engines – two paths to success.

SAE International, 3rd

February 2009.

[20] Koźlak A.: Inteligentne systemy transportowe jako instrument poprawy

efektywności transportu. Logistyka, nr 2/2008 (CD).

[21] Lee T., Son J.: Relationships between driving style and fuel consumption in

highway driving. SAE Technical Paper Series, M2010252.

[22] Lehman G., Reynolds T.: The contribution of onboard recording system to road

safety and accident reconstruction. Proceedings of the NTSB International

Symposium of Transportation Recorders, 1999.

[23] Materiały firmy AVL List GmbH: www.avl.com (dostęp z dnia 14.01.2013).

[24] Materiały firmy BMW: www.bmw.com (dostęp z dnia 15.10.2011).

[25] Materiały firmy Bosch Automotive Technology: www.bosch.com (dostęp z dnia

22.02.2012).

[26] Materiały firmy DAF Trucks: www.daf.eu (dostęp z dnia 13.10.2012).

[27] Materiały koncernu Daimler: www.daimler.com, www.mercedes-benz.com.

[28] Materiały firmy FIAT: www.fptindustrial.com (dostęp z dnia 14.07.2012).

[29] Materiały firmy HJS Emission Technology GmbH & Co. KG: www.hjs.com.

[30] Materiały firmy MAN Truck & Bus: www.mantruckandbus.com (dostęp z dnia

19.09.2011).

[31] Materiały firmy Mazda Motor Corporation: www.mazda.com (dostęp z dnia

14.11.2012).

[32] Materiały firmy Mitsubishi Motors: www.mitsubishi-motors.com (dostęp z dnia

10.12.2011).

[33] Materiały firmy Punch Telematix: www.punchtelematix.com (dostęp z dnia

13.09.2012).

[34] Materiały firmy Scania: www.scania.pl, www.scania.com.

[35] Materiały firmy Sensors Inc.: www.sensors-inc.com (dostęp z dnia 15.06.2011).

[36] Materiały firmy Solaris Bus & Coach S.A.: www.solarisbus.com (dostęp z dnia

21.04.2012).

[37] Materiały firmy TSI Inc.: www.tsi.com.

[38] Materiały firmy Volvo www.volvotrucks.com, www.volvobuses.com (dostęp

z dnia 27.08.2012).

[39] Mazurek S., Merkisz J.: Tachograf cyfrowy. Wydawnictwo Instytutu Transportu

Samochodowego, Warszawa 2006.

- 147 -

[40] Merkisz J.: Tendencje rozwojowe silników spalinowych. Silniki

Spalinowe/Combustion Engines, nr 1/2004 (118), s. 28‒39.

[41] Merkisz J., Andrzejewski M.: Wpływ eco-drivingu na emisję dwutlenku węgla

z samochodu dostawczego. AUTOBUSY: Technika, Eksploatacja, Systemy

Transportowe 3/3013 (płyta CD), s. 193–202.

[42] Merkisz J., Andrzejewski M.: Wpływ obciążenia pojazdu ładunkiem na zawartość

substancji toksycznych w spalinach. Młodzi naukowcy dla polskiej nauki, cz. IV,

tom II, s. 90–99, Creativetime, Kraków 2012.

[43] Merkisz J., Andrzejewski M., Lijewski P.: Wpływ stylu jazdy na emisję substancji

szkodliwych z pojazdu hybrydowego. Technika Transportu Szynowego 9/2012

(płyta CD), s. 3353–3361.

[44] Merkisz J., Andrzejewski M., Pielecha J.: Porównanie emisji dwutlenku węgla

w rzeczywistych warunkach ruchu pojazdu z wartościami uzyskiwanymi w teście

homologacyjnym na tle norm europejskich. Combustion Engines/Silniki

Spalinowe, No. 3/2011 (CD), s. 1–9.

[45] Merkisz J., Andrzejewski M., Pielecha J.: Rozpędzanie pojazdu dostawczego

a emisja gazowych składników spalin. Logistyka 4/2012 (płyta CD), s. 531–538.

[46] Merkisz J., Andrzejewski M., Pielecha J.: Wpływ wybranego przełożenia skrzyni

biegów na emisję dwutlenku węgla przez pojazd podczas jego rozpędzania.

Combustion Engines, No. 3/2013 (CD), s. 324–331.

[47] Merkisz J., Andrzejewski M., Pielecha J., Markowski J.: Analiza rozkładu

wymiarowego cząstek stałych dla pojazdów użytkowych w testach drogowych.

Logistyka 6/2011 (płyta CD), s. 2809–2817.

[48] Merkisz J., Kozak M., Andrzejewski M.: Wpływ sposobu rozpędzania samochodu

ciężarowego na emisję dwutlenku węgla. Combustion Engines, No. 3/2013 (CD),

s. 453–458.

[49] Merkisz J., Kozak M., Molik P., Nijak D., Andrzejewski M., Nowak M.,

Rymaniak Ł., Ziółkowski A.: The analysis of the emission level from a heavy-

duty truck in city traffic. Combustion Engines/Silniki Spalinowe, No. 3/2012,

s. 80–88.

[50] Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów

samochodowych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007.

[51] Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo

Politechniki Poznańskiej, Poznań 2006.

[52] Merkisz J., Pielecha J., Andrzejewski M.: Wpływ downsizingu na zużycie paliwa

i emisję substancji szkodliwych w spalinach. Logistyka 3/2011 (płyta CD),

s. 1853–1861.

[53] Merkisz J., Pielecha J., Andrzejewski M.: Wpływ dynamiki rozpędzania

samochodu na emisję zanieczyszczeń. Logistyka 3/2012 (płyta CD),

s. 1517–1523.

[54] Merkisz J., Pielecha J., Fuć P., Nowak M.: Ocena parametrów emisyjnych

pojazdu dla zróżnicowanej mikroinfrastruktury miejskiej. Combustion Engines,

No. 3/2013 (CD), s. 787–793.

- 148 -

[55] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych

w świetle nowych przepisów Unii Europejskiej. Wydawnictwa Komunikacji

i Łączności, Warszawa 2012.

[56] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: Pragmatyczne podstawy ochrony

powietrza atmosferycznego w transporcie drogowym. Wydawnictwo Politechniki

Poznańskiej, Poznań 2009.

[57] Merkisz J., Pielecha J., Tarkowski S.: Pokładowe rejestratory parametrów ruchu

i ich zastosowanie do oceny komfortu w autobusach miejskich. AUTOBUSY:

Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, nr 5/2012, s. 300–305.

[58] Merkisz J., Radzimirski S.: Stan obecny i przewidywane zmiany w europejskich

przepisach o emisji zanieczyszczeń z samochodów ciężarowych i autobusów.

Transport Samochodowy, nr 2, 2009.

[59] Merkisz J., Tarkowski S.: Wybrane aspekty wykorzystania pokładowych

urządzeń rejestrujących w pojazdach samochodowych. Kwartalnik „Eksploatacja

i niezawodność” – PNTTE nr 2 (50), Warszawa 2011, s. 50–58.

[60] Narayanan A. P.: Downspeeding the diesel engine – A performance analysis.

CHALMERS, Applied Mechanics, Master’s Thesis 2011:50, Göteborg 2011.

[61] Planning a modern transport system. A guide to Intelligent Transport System

architecture. European Communities, 2004.

[62] Postrzednik S., Żmudka Z.: Termodynamiczne oraz ekologiczne uwarunkowania

eksploatacji tłokowych silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki

Śląskiej, Gliwice 2007.

[63] Pratt A.: Driving automotive innovation. PwC Automotive Institute, 23 April

2008.

[64] Proper A. T.: Intelligent Transportation System Benefits: 2003 Update.

Washington, U.S. Department of Transportation, 2002.

[65] Regulation (EC) No 510/2011 of the European Parliament and of the Council of

11 May 2011 setting emission performance standards for new light commercial

vehicles as part of the community’s integrated approach to reduce CO2 emissions

from light-duty vehicles. OJ L 145/1.

[66] Rokosch U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne

samochodów. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007.

[67] Rubino L., Bonnel P., Carriero M., Krasenbrink A.: Portable emission

measurement system (PEMS) for heavy duty diesel vehicle PM measurement: the

European PM PEMS program. SAE Technical Paper Series 2009-24-0149.

[68] Rubino L., Bonnel P., Hummel R., Krasenbrink A., Manfredi U., De Santi G.: On-

road emissions and fuel economy of light duty vehicles using PEMS: Chase-

testing experiment. SAE Technical Paper Series 2008-01-1824.

[69] SEMTECH-DS on-board, in-use emissions analyzer. Manual, Michigan 2007.

[70] Serdecki W.: Badania silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki

Poznańskiej, Poznań 2012.

[71] Shahinian V. D.: SENSOR Tech-CT Update Application Software for SEMTECH

Mobile Emission Analyzers. Sensors 4th

Annual SUN (SEMTECH User Network)

Conference, 22.10.2007.

- 149 -

[72] SI engine downsizing – The potential and limitations for two- and three-cylinder

concepts. FEV Spectrum, Aachen 2011.

[73] Tarkowski S.: Wykorzystanie pokładowych rejestratorów parametrów ruchu

pojazdów do oceny komfortu jazdy. Rozprawa doktorska, Politechnika

Poznańska, Wydział MRiT, Poznań 2013.

[74] Thompson M. H.: A vision of future crash survivable recording systems.

Proceedings of the NTSB International Symposium of Transportation Recorders,

1999.

[75] Ubysz A.: Poszanowanie energii w pojazdach samochodowych. Część 1:

Obliczanie zużycia paliwa w pojeździe w ruchu rzeczywistym. Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011.

[76] Ubysz A.: Poszanowanie energii w pojazdach samochodowych. Część 2:

Dynamiczne charakterystyki ogólne ge i ej w pojeździe. Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011.

[77] Ubysz A.: Poszanowanie energii w pojazdach samochodowych. Część 3:

Optymalizacja zużycia paliwa w samochodzie – akomodacja (a*v). Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011.

[78] U.S. Census Bureau, International Database.

[79] Van de Burgwal H. C., Gense N. L.: Interruption of driving style tips. TNO

Automotive Report 02.OR.VM.004.1/HVD.

[80] Vermeulen R. J.: The effects of a range of measures to reduce the tail pipe

emissions and/or the fuel consumption of modern passenger cars on petrol and

diesel. TNO report, IS-RPT-033-DTS-2006-01695.

[81] Walsh M.: Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update. Part 1.

Combustion Engines/Silniki Spalinowe, No. 2/2011 (145), s. 106117.

[82] Walsh M.: Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update. Part 2.

Combustion Engines/Silniki Spalinowe, No. 3/2011 (146), s. 53–58.

[83] Walsh M.: Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update. Part 3.

Combustion Engines/Silniki Spalinowe, No. 4/2011 (147), s. 98–103.

[84] Wetzel P., Keidel S., Birckett A.: Downspeeding a heavy-duty pickup truck with

a combined supercharger and turbocharger boosting system to improve drive

cycle fuel economy. 2012 DOE DEER Conference – Dearborn, Michigan, 18th

October 2012.

[85] Worldwide Emissions Standards. Passenger Cars and Light Duty Vehicles. Delphi

2012/2013 (www.delphi.com).

[86] Worldwide Emissions Standards. Heavy Duty and Off-Highway Vehicles. Delphi

2012/2013 (www.delphi.com).

[87] www.acea.be (dostęp z dnia 3.05.2012).

[88] www.all4engineers.com (dostęp z dnia 11.09.2012).

[89] www.dieselnet.com (dostęp z dnia 11.09.2012).

[90] www.dobrepraktyki.pl (dostęp z dnia 19.05.2012).

[91] www.e-biopaliwa.pl (dostęp z dnia 25.11.2012).

[92] www.ecodrive.org (dostęp z dnia 15.12.2011).

[93] www.frost.com (dostęp z dnia 15.03.2012).

- 150 -

[94] www.greencarcongress.com (dostęp z dnia 11.09.2012).

[95] www.mpk.poznan.pl (dostęp z dnia 19.05.2012).

[96] www.stat.gov.pl (dostęp z dnia 5.02.2011).

[97] www.vda.de (dostęp z dnia 19.06.2011).