Zdzisław Chłopek

Instytut Transportu Samochodowego

BILANSOWANIE EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Z SILNIKÓW AUTOBUSÓW MIEJSKICH

W pracy porównano emisję potencjalnego dwutlenku węgla z silnika o zapłonie samoczynnym na olej napędowy i z silnika o zapłonie samoczynnym na paliwo bioetanolowe E95. Obliczono emisję potencjalnego kopalnego dwutlenku węgla i emisję potencjalnego niekopalnego dwutlenku węgla z jednego autobusu w jednym roku. Porównano emisję zanieczyszczeń: tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu, cząstek stałych oraz potencjalnego ozonu troposferycznego w warunkach symulujących rzeczywiste użytkowanie.

THE BALANCE OF THE POLLUTANT EMISSION FROM ENGINES OF CITY BUSES

The emission of potential carbon dioxide from self-ignition engine on petrol diesel and from self-ignition engine on bioethanol fuel E95 has been compared in the paper. The emission of potential fossil carbon dioxide and potential non-fossil carbon dioxide from one bus in one year has been estimated. The pollutant emission of carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides, particulate matter and ozone-forming potential have been compared in conditions simulated real use.

Wstęp

Autobusy miejskie mają ważną rolę do spełnienia w komunikacji miejskiej. Spośród wszystkich środków transportu komunikacji miejskiej autobusy zapewniają najbardziej „elastyczny” sposób realizacji zadań komunikacyjnych: najłatwiej jest dotrzeć autobusom do różnych miejsc aglomeracji miejskich a organizacja ruchu autobusów wymaga użycia najmniejszych nakładów technicznych i finansowych. Dodatkowo miejska komunikacja autobusowa zapewnia możliwość łatwych modernizacji organizacji transportu, zarówno w sytuacjach zmian zachodzących w funkcjonowaniu miast, jak i wydarzeń nadzwyczajnych, takich jak: remonty infrastruktury czy awarie transportowe lub infrastruktury miasta.

Mimo niekwestionowanych zalet innych rodzajów środków miejskiego transportu publicznego, takich jak: szybka kolej miejska, w tym szczególnie podziemna, tramwaje czy trolejbusy, autobusy miejskie stanowią jedną z najważniejszych kategorii pojazdów komunikacji miejskiej. Konsekwencją tego faktu jest duży udział autobusów w realizacji zadań komunikacji w miastach.

Autobusy są napędzane silnikami spalinowymi o zapłonie samoczynnym, w związku z czym znane są ekologiczne skutki ich stosowania [4, 5]. Najważniejszymi ekologicznymi skutkami użytkowania autobusów jest - oprócz emisji hałasu i powodowania drgań - przede wszystkim emisja zanieczyszczeń szkodliwych dla ludzi i ich środowiska. Dodatkowo sytuację ekologiczną pogarsza fakt, że autobusy są intensywnie użytkowane w centrach aglomeracji miejskich, a więc w miejscach o dużym zaludnieniu i natężeniu ruchu drogowego.

W wypadku klasycznych silników o zapłonie samoczynnym szczególnie groźna jest emisja cząstek stałych i tlenków azotu. Stężenia cząstek stałych PM10 (o średnicy aerodynamicznej mniejszej od 10 μm) w powietrzu atmosferycznym są jednym z najczęstszych powodów przekroczeń limitów stężeń zanieczyszczeń w powietrzu w centrach miejskich [5]. Od 2009 r. dodatkowo jest limitowane stężenie cząstek stałych PM2.5. Silniki o zapłonie samoczynnym są jednym z najpoważniejszych źródeł emisji zarówno cząstek stałych, jak i tlenków azotu, pochodzących z transportu drogowego w centrach miast [3 - 6].

Kolejnym ważnym zagrożeniem ze strony silników spalinowych jest emisja związków organicznych, szczególnie wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych o silnie kancerogennym działaniu [4, 5].

Złożonym oddziaływaniem ze strony składników spalin jest tworzenie się ozonu troposferycznego, przyczyniającego się do powstawania smogu fotochemicznego, który stanowi jedno z najpoważniejszych zagrożeń w wielkich aglomeracjach w ciepłych obszarach klimatycznych [1, 3, 5, 8, 10, 17]. Najważniejszymi prekursorami ozonu troposferycznego są: lotne związki organiczne i tlenki azotu [1, 8, 10, 17]. W wielkich aglomeracjach miejskich substancje te pochodzą głównie ze spalin silników samochodowych.

Emisja substancji szkodliwych dla zdrowia stanowi przede wszystkim zagrożenie lokalne, a prekursorów ozonu troposferycznego zagrożenie w skali wielkich aglomeracji miejskich lub - co najwyżej - makroregionów. Spośród zagrożeń globalnych, powodowanych przez motoryzację, najpoważniejsza jest emisja gazów sprzyjających intensyfikacji zjawiska cieplarnianego w atmosferze, tzw. gazów cieplarnianych lub szklarniowych [4, 5]. Konsekwencją intensyfikacji zjawiska cieplarnianego w atmosferze są globalne zmiany klimatu, spowodowane ociepleniem dolnych warstw atmosfery, powierzchni Ziemi i wód powierzchniowych. Spośród składników spalin silników największy wpływ na zjawisko cieplarniane ma emisja dwutlenku węgla, głównie z powodu skali tej emisji. Emisja zawartych w spalinach innych substancji, sprzyjających zjawisku cieplarnianemu, takich jak: metan, podtlenek azotu czy amoniak, jest o rzędy wielkości mniejsza niż emisja dwutlenku węgla [4, 5].

W wymienionych zagrożeniach środowiska, szczególnie w centrach miejskich, znaczący udział mają autobusy miejskie. W związku z tym intensywnie poszukuje się metod zmniejszenia tych zagrożeń. Spośród różnych rozwiązań technicznych szczególne nadzieje wiąże się z zastosowaniem paliw pochodzenia biologicznego, umożliwiających radykalne zmniejszenie emisji dwutlenku węgla pochodzenia kopalnego, a więc ze źródeł nieodnawialnych [3, 5 - 7, 11, 13, 15]. Dodatkowo niektóre rozwiązania z zastosowaniem biopaliw umożliwiają także wyraźne zmniejszenie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia ludzi. Do takich rozwiązań należy zastosowanie paliwa bioetanolowego do zasilania silników o zapłonie samoczynnym [3, 5, 8, 11, 13, 15].

Silniki o zapłonie samoczynnym na paliwo bioetanolowe produkuje do tej pory wyłącznie szwedzki koncern Scania AB [3, 6, 11, 14, 15]. Pierwszym silnikiem o zapłonie samoczynnym na paliwo bioetanolowe, stosowanym do napędu autobusów miejskich, był silnik DSI9 E01, zbudowany na bazie klasycznego silnika DC9 01 na olej napędowy. Silnik ten został wprowadzony do eksploatacji 1989 r. [3, 6, 11, 14, 15]. Następna wersja silnika bioetanolowego - model Scania DC9 E02 270 został wprowadzony na rynek w 2006 r. [14]. Silnik DC9 E02 270 jest 5-cylindrową konstrukcją rzędową o objętości skokowej 8,9 dm³. Stopień sprężania jest równy 28. Moc znamionowa wynosi NeN = 199 kW przy prędkości obrotowej nN = 1900 min^-1, a maksymalny moment obrotowy wynosi MeM = 1200 Nm przy prędkości obrotowej n_M = (1100 ÷ 1400) min^-1. Układ zasilania jest wyposażony w pompowtryskiwacze. W konstrukcji zastosowano rozrząd z czterema zaworami w każdym cylindrze. W celu zmniejszenia emisji tlenków azotu w silniku zastosowano jedynie recyrkulację chłodzonych spalin EGR (Exhaust Gas Recirculation). W układzie wylotowym umieszczono utleniający reaktor katalityczny, skutecznie zmniejszający emisję tlenku węgla i związków organicznych, w tym towarzyszących spalaniu biopaliw aldehydów, oraz częściowo zmniejszający również emisję części organicznej cząstek stałych [5].

W celu oceny zagrożenia ze strony substancji szkodliwych dla zdrowia ludzi najważniejsza jest emisja zanieczyszczeń w skali lokalnej, choć do celów inwentaryzacji emisji zanieczyszczeń jest konieczne bilansowanie tych emisji w całym umownym cyklu powstawania i eksploatacji pojazdów, a także ich materiałów eksploatacyjnych i infrastruktury [5, 12, 17, 19]. W wypadku zagrożeń globalnych istotne jest bilansowanie tych zagrożeń tylko w całym wspomnianym cyklu [5, 12, 17, 19]. W literaturze angielskojęzycznej w odniesieniu do analiz emisji zanieczyszczeń ze względu na rozpatrywane rodzaje paliw używa się do określenia tego cyklu nazwy „from well to wheel” [12, 17, 19], co można przetłumaczyć „od źródła (pozyskiwania nośnika energii) do koła (pojazdu)”. Oczywiście granice owego cyklu są całkowicie umowne, trudno bowiem uznać, czy rozpatrywany obszar działalności cywilizacyjnej obciąża jeszcze motoryzację ze względu na emisję zanieczyszczeń, np. wytwarzanie maszyn wydobywczych, czy też obszar ten dotyczy działalności ogólnocywilizacyjnej [5].

W odniesieniu do analizy emisji zanieczyszczeń ze względu na stosowane paliwa lub - ogólniej - nośniki energii (np. energia elektryczna) szczególnie istotnymi elementami cyklu, determinującymi emisję zanieczyszczeń, są: wytwarzanie surowców na paliwa, wytwarzanie paliw, transport i dystrybucja paliw oraz eksploatacja pojazdów samochodowych [5, 12, 17, 19]. Należy jeszcze pamiętać o innych rodzajach oddziaływania na środowisko działalności związanej z eksploatacją silników samochodowych, np. zanieczyszczenie środowiska w konsekwencji stosowania nawozów sztucznych do produkcji roślin, przeznaczonych na biomasę, itp.

Spośród elementów rozpatrywanego cyklu powstawania i eksploatacji pojazdów oraz ich materiałów eksploatacyjnych i infrastruktury, najbardziej stabilna i obszerna jest wiedza na temat emisji zanieczyszczeń, związanej z użytkowaniem silników spalinowych. Zagrożenia, związane z innymi elementami cyklu, są bardzo wrażliwe na zastosowane rozwiązania. Przykładem jest emisja dwutlenku węgla przy produkcji biokomponentów, bardzo silnie zależna od zastosowanej technologii [19].

W związku z uwagami przedstawionymi we wstępie postanowiono w niniejszej pracy przeprowadzić analizę emisji zanieczyszczeń z autobusowych silników bioetanolowych jedynie w zakresie ich użytkowania, mając pełną świadomość, że jest to tylko część elementów bilansu emisji zanieczyszczeń. Mimo to wydaje się, że jest celowe dokonanie takiej analizy, aby w wymierny sposób było możliwe ocenienie ekologicznych atrybutów rozpatrywanych rozwiązań.

Emisja potencjalnego dwutlenku węgla

Emisja potencjalnego dwutlenku węgla obejmuje powstawanie dwutlenku węgla na skutek całkowitego i zupełnego spalenia paliwa, zawierającego węgiel. Skład elementarny paliwa jest określony przez udziały masowe poszczególnych pierwiastków tworzących paliwo. Rozpatrujemy paliwo zawierające: węgiel, wodór i tlen. Skład elementarny paliwa określa zbiór:

(1)

gdzie: u_c - udział masowy węgla w paliwie,

u_H - udział masowy wodoru w paliwie,

u_c - udział masowy tlenu w paliwie.

Dla oleju napędowego przyjmuje się przybliżony skład elementarny w postaci [4]:

(2)

Paliwo bioetanolowe E95 stosowane do zasilania silników o zapłonie samoczynnym ma skład, przedstawiony w tabeli.

Tabela 1

Skład paliwa E95 [9]

Table 1

The composition of fuel E95 [9]

Składnik paliwa	Udział masowy
Etanol 95% v/v	92,2%
Aktywator zapłonu	5%
Eter MTBE	2,3%
Izobutanol	0,5%
Inhibitor korozji	90 ppm

W celu wyznaczenia składu elementarnego paliwa E95 trzeba uwzględnić skład elementarny: etanolu, wody stanowiącej składnik 95-procentowego etanolu oraz pozostałych składników paliwa E95. Dla uproszczenia - nie czyniąc wielkich błędów - przyjęto, że pozostałe oprócz etanolu składniki paliwa E95 są ropopochodne i mają skład podobny do oleju napędowego.

Na rysunku 1 przedstawiono skład elementarny etanolu, wody, oleju napędowego i paliwa bioetanolowego E95.

Rys. 1. Skład elementarny: etanolu C₂H₅OH, wody H₂O, oleju napędowego PD i paliwa bioetanolowego E95

Fig. 1. The elementary composition of: ethanol C₂H₅OH, water H₂O, petrol diesel PD and bioethanol fuel E95

Tworzenie dwutlenku węgla na skutek spalania paliwa charakteryzuje wskaźnik emisji potencjalnego dwutlenku węgla [4]

(3)

gdzie: m_CO2 - emisja potencjalnego dwutlenku węgla,

m_f - masa spalonego paliwa.

Na podstawie znajomości składu elementarnego paliw można wyznaczyć dla nich wskaźnik emisji potencjalnego dwutlenku węgla:

(4)

gdzie: μ_CO2 - masa cząsteczkowa dwutlenku węgla: μ_CO2 ≈ 44 kg,

μ_C - masa atomowa węgla μ_C ≈ 12 kg.

Na rysunku 2 przedstawiono wskaźnik emisji potencjalnego dwutlenku węgla W_CO2p, dwutlenku węgla kopalnego W_CO2pf i dwutlenku węgla niekopalnego W_CO2pnf dla oleju napędowego PD i paliwa bioetanolowego E95.

Rys. 2. Wskaźnik emisji potencjalnego dwutlenku węgla W_CO2p, dwutlenku węgla kopalnego W_CO2pf i dwutlenku węgla niekopalnego W_CO2pnf dla oleju napędowego PD i paliwa bioetanolowego E95

Fig. 2. The emission coefficient of potential carbon dioxide W_CO2p, potential fossil carbon dioxide W_CO2pf and potential non-fossil carbon dioxide W_CO2pnf for petrol diesel PD and bioethanol fuel E95

Emisję drogową potencjalnego dwutlenku węgla można wyznaczyć jako iloczyn wskaźnika emisji potencjalnego dwutlenku węgla i drogowego zużycia paliwa. Emisja drogowa jest zdefiniowana jako pochodna emisji względem drogi przebywanej przez pojazd, a drogowe zużycie paliwa jako pochodna masy zużywanego paliwa względem drogi przebywanej przez pojazd [4].

(5)

gdzie: b_CO2p - emisja drogowa potencjalnego dwutlenku węgla,

q_f - drogowe zużycie paliwa.

Na podstawie badań eksploatacyjnych autobusów Scania Omni Link w Słupsku przyjęto średnie eksploatacyjne zużycie paliwa dla zastosowania silnika o zapłonie samoczynnym DC9 01, zasilanego olejem napędowym, równe 40 dm³/100 km. Dla silnika o zapłonie samoczynnym DSI9 E01, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, średnie eksploatacyjne zużycie paliwa wynosi około 66 dm³/100 km. Podobną relację średnich eksploatacyjnych zużyć paliwa stwierdzono w badaniach przeprowadzonych w ośrodku badawczo-rozwojowym R&D Scania dla autobusów Scania Omni City z silnikami: nowym bioetanolowym DC E02 270 i odpowiadającym mu ze względu na właściwości użytkowe klasycznym DC9 17 [14].

Badania zużycia paliwa wykonano na hamowni podwoziowej w testach SORT (Standardised On-Road Tests - standaryzowane testy pojazdów niedrogowych) UITP (International Association of Public Transport - Międzynarodowe Stowarzyszenie Transportu Publicznego) [16]: SORT 1 - Heavy Urban, SORT 2 - Easy Urban i SORT 3 - Suburban - rysunki 3 - 6. Test SORT 1 jest przeznaczony do ciężkich warunków miejskich, SORT 2 - do typowych warunków miejskich a SORT 3 - do warunków podmiejskich. Na wykresach zaznaczono prędkość średnią w teście v_AV.

Rys. 3. Schemat testu SORT 1 - Heavy Urban

Fig. 3. The schema of the test: SORT 1 - Heavy Urban

Rys. 4. Schemat testu SORT 2 - Easy Urban

Fig. 4. The schema of the test: SORT 2 - Easy Urban

Rys. 5. Schemat testu SORT 3 - Suburban

Fig. 5. The schema of the test: SORT 3 - Suburban

Wyniki badań zużycia paliwa w testach SORT dla autobusów Scania Omni Link z silnikiem bioetanolowymi DC9 E02 270 oraz z silnikiem DC9 16 na olej napędowy przedstawiono na rysunku 6 w zależności od prędkości średniej w testach.

Rys. 6. Eksploatacyjne zużycie paliwa Q przez autobus bioetanolowy i autobus klasyczny w zależności od prędkości średniej v_AV w testach SORT

Fig. 6. The fuel consumption Q by bioethanol bus and classical bus in the dependence on the average velocity v_AV in the SORT tests

Stosunek eksploatacyjnego zużycia paliwa przez autobus klasyczny i bioetanolowy jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalny do stosunku wartości opałowych oleju napędowego i paliwa E95 - rysunek 7.

Rys. 7. Porównanie wartości opałowej paliw: oleju napędowego PD i paliwa biotanolowego E95

Fig. 7. The comparision of heat value of fuels: petroleum diesel PD and bioethanol fuel E95

Emisję drogową potencjalnego dwutlenku węgla, dwutlenku węgla kopalnego i dwutlenku węgla niekopalnego dla oleju napędowego i paliwa bioetanolowego E95 przedstawiono na rysunku 8.

Rys. 8. Emisja drogowa potencjalnego dwutlenku węgla b_CO2p, dwutlenku węgla kopalnego b_CO2pf i dwutlenku węgla niekopalnego b_CO2pnf dla oleju napędowego i paliwa bioetanolowego E95

Fig. 8. The specific distance emission of potential carbon dioxide b_CO2p, potential fossil carbon dioxide b_CO2pf and potential non-fossil carbon dioxide b_CO2pnf for petrol diesel PD and bioethanol fuel E95

Znajomość emisji drogowej potencjalnego dwutlenku umożliwia oszacowanie emisji potencjalnego dwutlenku węgla w ciągu jednego roku z jednego autobusu. Do obliczeń przyjęto przeciętny przebieg dzienny 250 km i liczbę dni jazdy 350.

Rys. 9. Emisja potencjalnego dwutlenku węgla m_aCO2p, dwutlenku węgla kopalnego m_aCO2pf i dwutlenku węgla niekopalnego m_aCO2pnf w ciągu jednego roku z silnika jednego autobusu, zasilanego olejem napędowym PD oraz z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95

Fig. 9. The emission of potential carbon dioxide m_aCO2p, potential fossil carbon dioxide m_aCO2pf and potential non-fossil carbon dioxide m_aCO2pnf in one year from one bus on petrol diesel PD and from one bus on bioethanol fuel E95

Na rysunku 9 przedstawiono emisję potencjalnego dwutlenku węgla, dwutlenku węgla kopalnego i dwutlenku węgla niekopalnego w ciągu jednego roku z silnika jednego autobusu, zasilanego olejem napędowym oraz z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95.

Emisja potencjalnego dwutlenku węgla kopalnego z silnika jednego autobusu, zasilanego olejem napędowym wynosi w ciągu jednego roku ponad 90 Mg, zaś z silnika bioetanolowego tylko ponad 10 Mg - różnica tych emisji, stanowiąca wymierną korzyść ekologiczną, wynosi prawie 80 Mg - rysunek 10.

Rys. 10. Emisja potencjalnego dwutlenku węgla kopalnego m_aCO2pf w ciągu jednego roku z silnika jednego autobusu, zasilanego olejem napędowym PD oraz z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz różnica tych emisji 

Fig. 10. The emission of potential fossil carbon dioxide m_aCO2pf in one year from one bus on petrol diesel PD and from one bus on bioethanol fuel E95, and the difference between these emissions 

Analiza emisji zanieczyszczeń z silnika bioetanolowego autobusu miejskiego

Znane są bardzo dobre właściwości ekologiczne silnika o zapłonie samoczynnym, zasilanego paliwem bioetanolowym E95 [2, 6, 11, 13 - 15]. Silnik ten spełnia z zapasem wymagania emisji zanieczyszczeń na poziomie EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicles - samochody przyjazne środowisku) [3, 6]. Na rysunku 11 przedstawiono względną różnicę emisji jednostkowej zanieczyszczeń z silnika bioetanolowego DC9 E02 270 i limitów EEV. Limity te odnoszą się do procedur badawczych przeprowadzanych w europejskich testach homologacyjnych [5]: statycznym ESC (European Stationary Cycle - europejski test statyczny) i dynamicznym ETC (European Transient Cycle - europejski test dynamiczny). Dla testu ESC standardowo wyznacza się emisję jednostkową: tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu i cząstek stałych, natomiast dla testu ETC emisję jednostkową: tlenku węgla, niemetalowych węglowodorów, metanu, tlenków azotu i cząstek stałych [5].

Dodatkowo zbadano również emisję potencjalnego ozonu troposferycznego, przyczyniającego się do powstawania smogu fotochemicznego [1, 8, 10, 17]. Zdolność do tworzenia ozonu przez substancje chemiczne charakteryzują: potencjał tworzenia ozonu (OFP - ozone-forming potential) oraz aktywność jednostkowa tworzenia ozonu (SR - specific activity) [1, 8, 10, 17]. W tworzeniu ozonu troposferycznego istotną rolę odgrywają lotne związki organiczne (LZO), oznaczające wszystkie związki organiczne pochodzące z antropogenicznych i biogenicznych źródeł, które są zdolne do produkowania utleniaczy fotochemicznych w reakcjach z tlenkami azotu w obecności światła słonecznego [1, 8, 10, 17]. Przyjmuje się, że prekursorami ozonu są przede wszystkim tlenki azotu i niemetalowe lotne związki organiczne.

Aktywność jednostkowa tworzenia ozonu - SR to stosunek masy tworzonego ozonu - m_OFP i masy niemetanowych węglowodorów - m_NMHC [1, 8, 10, 17].

Emisja potencjalnego ozonu wynosi zatem:

(6)

W tabeli 2 przedstawiono zbiór aktywności jednostkowej tworzenia ozonu wybranych związków chemicznych.

Tabela 2

Aktywność jednostkowa tworzenia ozonu przez prekursory [8]

Table 2

The specific activity of ozone-forming from precursors [8]

Prekursor ozonu	Aktywność jednostkowa tworzenia ozonu
NOx	1,22
NMHC	1
CH4	0,11
CO	0,014

Porównano również emisję jednostkową dwutlenku węgla kopalnego w testach ETC i ESC z silnika DC9 E02 270 oraz z silnika o poziomie EEV, wykorzystując do tego celu wyniki badań wykonanych w Environment Canada.

Rys. 11. Względna różnica emisji jednostkowej zanieczyszczeń δ z silnika bioetanolowego DC9 E02 270 i limitów EEV

Fig. 11. The relative difference of the specific brake emission of pollutants δ from the bioethanol engine DC9 E02 270 and the EEV limits

Wyraźnie widoczne są znaczne zapasy emisji zanieczyszczeń względem limitów EEV i innych emisji zanieczyszczeń wynikających z tych limitów. Nawet w wypadku tlenków azotu zapas w stosunku do limitu EEV wynosi około 15%.

Stosując metodykę analogiczną do opisanej w poprzednim rozdziale, wyznaczono emisje zanieczyszczeń z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz silników kategorii ekologicznych EURO III, EEV, EURO IV i EURO V, w ciągu jednego roku (rysunki 12 - 18). Emisje te odpowiadają warunkom rzeczywistego użytkowania silników spalinowych w autobusach miejskich w ich typowym ruchu na liniach komunikacyjnych.

Rys. 12. Emisja tlenku węgla m_aCO z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz silników kategorii ekologicznych EURO III, EEV, EURO IV i EURO V, w ciągu jednego roku

Fig. 12. The emission of carbon monoxide m_aCO from engine of one bus on bioethanol fuel E95 and from engine of the ecological category: EURO III, EEV, EURO IV and EURO V, in one year

Rys. 13. Emisja węglowodorów m_aHC z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz silników kategorii ekologicznych EURO III, EEV, EURO IV i EURO V, w ciągu jednego roku

Fig. 13. The emission of hydrocarbons m_aHC from engine of one bus on bioethanol fuel E95 and from engine of the ecological category: EURO III, EEV, EURO IV and EURO V, in one year

Rys. 14. Emisja tlenków azotu m_aNOx z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz silników kategorii ekologicznych EURO III, EEV, EURO IV i EURO V, w ciągu jednego roku

Fig. 14. The emission of nitrogen oxides m_aNOx from engine of one bus on bioethanol fuel E95 and from engine of the ecological category: EURO III, EEV, EURO IV and EURO V, in one year

Rys. 15. Emisja cząstek stałych m_aPM z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz silników kategorii ekologicznych EURO III, EEV, EURO IV i EURO V, w ciągu jednego roku

Fig. 15. The emission of particulate matter m_aPM from engine of one bus on bioethanol fuel E95 and from engine of the ecological category: EURO III, EEV, EURO IV and EURO V, in one year

Rys. 16. Emisja potencjalnego ozonu troposferycznego m_aOFP z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz silników kategorii ekologicznych EURO III, EEV, EURO IV i EURO V, w ciągu jednego roku

Fig. 16. The emission of ozone-forming potential m_aOFP from engine of one bus on bioethanol fuel E95 and from engine of the ecological category: EURO III, EEV, EURO IV and EURO V, in one year

Rys. 17. Emisja potencjalnego dwutlenku węgla m_aCO2p z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz silników kategorii ekologicznych EURO III, EEV, EURO IV i EURO V, w ciągu jednego roku

Fig. 17. The emission of carbon dioxide m_aCO2p from engine of one bus on bioethanol fuel E95 and from engine of the ecological category: EURO III, EEV, EURO IV and EURO V, in one year

Rys. 18. Emisja potencjalnego dwutlenku węgla kopalnego m_aCO2pf z silnika jednego autobusu, zasilanego paliwem bioetanolowym E95, oraz silników kategorii ekologicznych EURO III, EEV, EURO IV i EURO V, w ciągu jednego roku

Fig. 18. The emission of fossil carbon dioxide m_aCO2pf from engine of one bus on bioethanol fuel E95 and from engine of the ecological category: EURO III, EEV, EURO IV and EURO V, in one year

Emisja zanieczyszczeń, pochodzących z silnika jednego autobusu w ciągu jednego roku wyraźnie wskazuje, jaka jest skala tego zjawiska i jak ważnym problemem jest ochrona środowiska w komunikacji miejskiej.

Podsumowanie

Autobusy komunikacji miejskiej mają duże znaczenie w realizacji zadań transportu publicznego. Eksploatacja autobusów powoduje znaczące zanieczyszczenie środowiska w centrach aglomeracji miejskich. Spośród wielu metod poprawy sytuacji ekologicznej w związku z eksploatacją silników spalinowych w autobusach komunikacji miejskiej szczególnie duże nadzieje wiąże się z zastosowaniem biopaliw, przede wszystkim bioetanolowych, umożliwiających nie tylko zmniejszenie emisji dwutlenku węgla kopalnego, ale także znaczące zmniejszenie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia ludzi, głównie cząstek stałych, tlenków azotu i związków organicznych oraz - w konsekwencji - ozonu troposferycznego. Zastosowanie paliw wysoko bioetanolowych do silników o zapłonie samoczynnym, podobnie jak i do silników o zapłonie iskrowym, wymaga zastosowania specjalnych konstrukcji [3, 6, 11, 14, 15]. Powoduje to mniejszą dynamikę w rozpowszechnianiu zastosowania takich rozwiązań technicznych, ale jednocześnie jest to podejście profesjonalne z technicznego punktu widzenia w odróżnieniu np. od zastosowania estrów olejów roślinnych do silników, których konstrukcja jest opracowana do zasilania olejem napędowym. Silniki na paliwa bioetanolowe są specjalnie przystosowane do tego paliwa, co umożliwia wykorzystanie nowych możliwości w polepszeniu użytkowych właściwości silników, w tym - przede wszystkim - zmniejszenie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla ludzi i ich środowiska.

Innym rozwiązaniem proekologicznym w autobusach komunikacji miejskiej, umożliwiającym zmniejszenie emisji zanieczyszczeń, jest zastosowanie napędów hybrydowych [2]. Szczególnie duże korzyści można osiągnąć, stosując jednocześnie napęd hybrydowy i silnik bioetanolowy. Autobus hybrydowy z silnikiem bioetanolowym został opracowany w koncernie Scania - jego premiera odbyła się w 2007 r., a w ciągu najbliższych dwóch lat będzie przeprowadzana eksploatacja testowa takich autobusów [2, 14]. Należy oczekiwać, że właśnie połączenie zalet różnych rozwiązań proekologicznych w transporcie będzie skuteczną drogą do osiągnięcia wymiernych korzyści w dziedzinie ochrony środowiska przed skutkami motoryzacji.

LITERATURA:

1. Carter W.P.L.: Ozone reactivity analysis of emissions from motor vehicles. Air Pollution Research Center. University of California. July 11, 1989.

2. Chłopek Z.: Autobusy hybrydowe jako propozycja proekologiczna w komunikacji miejskiej. Izba Gospodarcza Komunikacji Miejskiej. Komisja Autobusowa. Świdnica, 29 maja 2008 r.

3. Chłopek Z.: Ecological aspects of using bioethanol fuel to power combustion engines. Maintenance and Realibility. Nr 3(35)2007.

4. Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria „Mechanika” z. 173. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1999.

5. Chłopek Z.: Pojazdy samochodowe - Ochrona środowiska naturalnego. WKŁ. Warszawa 2002.

6. Chłopek Z.: Pollutants emission tests of the compression ignition engine powered by ethanol fuel E95. Combustion Engines Nr 2007-SC3.

7. Cole R.L., Poola R.B., Sekar R., Schaus J.E., McPartlin P.: Effects of Ethanol Additives on Diesel Particulate and NOx Emissions. SAE 2001-01-1937.

8. European Environment Agency: Indicator Fact Sheet Signals 2001 - Chapter Air Pollution.

9. http://www.sekab.com/

10. Jaimes-López J.L. et al: Experimental study of ozone-forming potential from exhaust emissions of vehicles fueled with reformulated gasoline in México City. Rev. Int. Contam. Ambient. 22 (4) 165 - 172, 2006.

11. Johansson U.: Ethanol Buses - experiences and prospects for sustainable urban transport. Bioethanol and the road to sustainable transport. Imperial College. London March 22, 2006. BAFF - BioAlcohol Fuel Foundation. http://www.baff.info/Filer/ BioEthanolLondon/.

12. Larivé J.-F.: Well to Wheel analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context. VII AOP Seminar. Bilbao, June 2006.

13. Marecka-Chłopek E., Chłopek Z.: Eksploatacyjne aspekty zastosowania paliw pochodzenia biologicznego do zasilania silników spalinowych. Transport Samochodowy 4/2007.

14. Scania AB - materiały nie publikowane.

15. Strömberg J.: Towards Sustainable Travel in Stockholm's Public Transport. Bioethanol and the road to sustainable transport. Imperial College. London March 22, 2006. BAFF - BioAlcohol Fuel Foundation. http://www.baff.info/Filer/ BioEthanolLondon/.

16. UITP - International Association of Public Transport: SORT - Standardised On-Road Tests Cycles. Brussels - Belgium 2003.

17. Wang L.J., Milford B., Carter W. P. L.: Reactivity Estimates for Aromatic Compounds 1. Uncertainty in Chamber-Derived Parameters. Atmos. Environ., 34, 4337 - 4348. (2000).

18. Well-to-Wheel Analysis of Greenhouse Gas Emissions of Automotive Fuels in the Japanese Context. Well-to-Tank Report. Toyota Motor Corporation. Mizuho Information & Research Institute. November 2004.

19. Well-to-Wheel Evaluation for Production of Ethanol from Wheat. A Report by the LowCVP Fuels Working Group, WTW Sub-Group FWG-P-04-024. October 2004.

Stosowana jest również nazwa testu ESC: European Steady Cycle.

Transport Samochodowy 3-2009

Bilansowanie emisji zanieczyszczeń…

58

57

---