Руководство по дистанционным измерениям выбросов автотранспорта на проезжей части

Авторы: Йенс Боркен-Клефельд
Источник: Guidance note about on-road vehicle emissions remote sensing, 2013.

1.1 Предыстория и цели

Дистанционныe измерения на дороге (ДИ) имеют большую привлекательность. Выхлопы от тысяч автомобилей могут сканироваться в течение одного дня во время «реального движения» с минимальными помехами для движения транспорта. ДИ используется для проверки эффективности эмиссионных стандартов, перекрестной проверки программ контроля и технического обслуживания, и выявления, среди прочего, транспорта с высокой частотой выбросов. Однако не все доводы подтверждаются, а другие требуют тщательного исполнения и интерпретации.

Международный совет по экологически чистым перевозкам поручил этому руководству информировать политиков о передовом опыте ДИ среди транспортных средств. Основная цель проекта заключается в том, чтобы предоставить информацию политикам о различных приложениях ДИ, чтобы отражать их результаты, интерпретацию и возможные ограничения, а также идентифицировать наиболее актуальные источники литературы для дальнейшего изучения.

Подробный обзор литературы по результатам различных программ ДИ по всему миру не предназначен или не сравнивает экономическую эффективность программ ДИ с политикой контроля выбросов транспортных средств.

1.2 Введение

Транспортные средства во многих странах являются важными источниками загрязнения воздуха, как на местном, так и на национальном уровнях. Поэтому выбросы транспортных средств регулируются таким образом – новые транспортные средства должны соответствовать стандартам выбросов выхлопных газов автомобилей, а подержанные автомобили часто и регулярно должны проходить инспекции. Однако выбросы транспортных средств, при реальном движении, могут значительно отличаться от результатов лабораторных исследований. Для измерения выбросов транспортных средств использовались различные методы (Robin Smit, Ntziachristos и Boulter 2010; Franco et al., 2013). Их можно классифицировать следующим образом:

Остановка транспортных средств с последующей инспекцией на месте;
Тестирование или лабораторное испытание на выбросы в течение заданных циклов.

Дистанционное измерение – измерение отдельных транспортных средств, проходящих через оптические датчики;
Эмпирическое преследование автомобиля – лабораторный автомобиль следует за автотранспортными средствами, собирая пробы их выхлопных газов.

PEMS (переносная система измерения выбросов) – оснащение транспортного средства портативным газоанализатором и измерение уровня выбросов во время вождения.

Измерение в тоннелях – применимо для классов транспортных средств, а не для одиночных;
Измерение концентрации окружающей среды на обочинах дорог – применимо для классов транспортных средств, а не для одиночных.
Измерение разностей концентраций в атмосферных массах – применимо для классов транспортных средств, а не для одиночных.

В дальнейшем мы детальной рассмотрим ДИ, как один из методов мониторинга выбросов на дороге. Мы кратко рассмотрим основные принципы работы (оптического) ДИ, и типичные приложения. В заключительном разделе представлен список рекомендованной литературы.

1.3 Дистанционные измерения автотранспорта

1.3.1 Принцип работы

ДИ транспортного средства – это неинтрузивный метод определения концентрации некоторых загрязняющих веществ на месте. Измеряется затухание света в облаке выхлопных газов, когда транспортное средство пересекает линию оптического пути. Чем сильнее затухание на определенной длине волны, тем выше концентрация конкретного абсорбента. Разность концентраций относительно измеренной фоновой концентрации приписывается только что прошедшему транспортному средству.

Рисунок 1 – Схема эмиссии транспортных средств на дорогах (McClintock 2007).
Copyright © 2007 Envirotest Systems.

На рисунке 1 приведен эскиз прибора: транспортное средство пересекает оптический луч во время прохода, и совершается отбор образцов загрязняющих веществ. Каждая запись представляет собой среднее значение от более 10-100 измерений концентрации в течение 0,5 секунд. Если выполняются определенные условия качества, средний прирост концентрации сохраняется. Инструмент регулярно проходит калибровку по газу с известной концентрацией. Измерения обычно выполняются в дневное время, когда трафик наиболее интенсивный, но система работает также хорошо ночью. Необходима сухая, не пыльная дорога, что означает небольшое ограничение условий эксплуатации. Рекомендации по тщательной настройке системы и обеспечению качества смотрите в обширном руководстве EPA США (US EPA 2002).

Приращение мгновенной концентрации CO₂ прямо пропорционально содержанию углерода в сжигаемом топливе и, следовательно, к количеству потребляемого топлива. Таким образом, можно определить (мгновенные) коэффициенты выбросов в грамм-загрязнителе на кг топлива для каждого измеренного транспортного средства.

Мгновенная скорость и ускорение транспортного средства измеряются немного выше по течению от измерения выбросов. Это соответствует зарегистрированным концентрациям и используется в качестве информации о нагрузке на двигатель, приводящей к выбросам.

Эта техника была разработана в конце 1980-х гг. Д. Стедманом и сотрудниками Университета Денвера (G.A.Bishop et al., 1989) и была доработана до сегодняшнего дня.

1.3.2 Техническая информация о транспортных средствах

Автомобильные номерные знаки регистрируются, и эти регистрирационные данные используются для получения информации о самом транспортном средстве, например, о его классификации выбросов или модельном году, мощности двигателя, веса транспортного средства, последнем техническом осмотре и т. д., а также для возможности связи с владельцем в случае высокого показателя эмиссии. Таким образом, подробная информация о составе выброса быстродвижущегося по дороге транспортного средства (в отличие от запаса зарегистрированных транспортных средств), записывается при том же измерении. Это, в свою очередь, является очень ценными эмпирическими входными данными о частотном распределении типов транспортных средств и их возрастов, а также о группах автомобилей, которые редко доступны для конкретного участка при иных обстоятельствах. Однако эти данные следует считать побочным продуктом и их также можно получить без измерений выбросов. Опять же, чем репрезентативней участок измерения и полученные данные транспортных средств, тем полезней информация о дорожном движении при описании популяции транспортных средств в большей области.

1.3.3 Необходимые условия движения и настройка измерения

Для получения данных о выбросах при дистанционном измерении, которые являются характерными для нормальных поездок при вождении в городских чертах и эквивалентных динамометрических испытаний, необходимо соблюдать несколько положений, например (McClintock 2012):

Измеренные приращения концентрации могут быть отнесены только к отдельным транспортным средствам, когда они четко разделены; поэтому часто предпочтительным является однополосное движение;
Предпочтительным является свободный поток, устойчивое ускорение является оптимальным. Хорошо подойдут участки, где транспортные средства ускоряются от знака остановки или светофора;
Двигатель должен находиться под нагрузкой, поэтому желательно положительное ускорение или небольшой наклон дороги;
Для автомобилей с холодным пуском вероятность исключить ложное обнаружение высоких показателей эмиссии довольно низкая;
Соотношение мощности двигателя и скорости достаточное для обеспечения считываемых выхлопных газов для большинства автомобилей.

Характеристики участка определяют наблюдаемые условия движения и проходящие транспортные средства. Для коэффициентов выбросов и инвентаризации часто целесообразно проводить измерения на нескольких участках, чтобы охватить более широкий диапазон движения и более широкий участок исследуемой области. Для таких применений, как перекрестная проверка характеристик инспекции и технического обслуживания, экранирование с высоким уровнем выбросов и чистое экранирование, лучше всего, чтобы весь трафик был сосредоточен в диапазоне VSP, который доминирует в выбросах от сравнительного теста при инспекции и техническом обслуживании.