Wpływ eksploatacji opon na środowisko

Podczas eksploatacji opon samochodowych w typowych warunkach drogowych emitowany jest hałas oraz pył, powstający podczas ścierania bieżnika, a opór toczenia wpływa na zużycie paliwa, a przez to na emisje CO2 i innych związków chemicznych.

Nigdy nie można rozpatrywać kwestii opon w oderwaniu od nawierzchni, po których się toczą. Praktycznie wszystkie ich parametry eksploatacyjne zdeterminowane są zarówno przez ich konstrukcję i materiały, z jakich są wykonane, jak i własności nawierzchni drogowych, szczególnie w zakresie tekstury, równości i przyczepności. Powoduje to poważne komplikacje przy analizie statystycznej i prognozowaniu, gdyż w ruchu drogowym biorą udział bardzo różne opony, które toczą się po rozmaitych nawierzchniach. Często zdarza się, że opona może wykazywać bardzo korzystne właściwości na jednym z typów nawierzchni, a na innym nie sprawdzać się. Przykładowo opony o bieżniku błotno-śniegowym są zazwyczaj ciche na nawierzchniach bardzo szorstkich (niekiedy nawet cichsze od opon gładkich), ale już na nawierzchniach bardzo gładkich emitują wzmożony hałas.

Trzy najważniejsze z punktu widzenia ekologii oddziaływania opon na środowisko to: hałas (nazywany „hałasem opon”, chociaż prawidłowo powinno być: „hałas opon współpracujących z nawierzchnią jezdni”), opór toczenia wpływający na zużycie paliwa, a przez to na emisje CO2 i innych związków chemicznych oraz emisja pyłu powstającego podczas ścierania bieżnika. Jak wynika z prowadzonych badań, dwa pierwsze oddziaływania mają bardzo istotny wpływ na środowisko, podczas gdy emisja pyłów ma raczej ograniczony zasięg i niewielką szkodliwość.

Hałas

Hałas związany z ruchem drogowym należy obecnie do grupy najbardziej uciążliwych problemów ekologicznych, szczególnie na terenach silnie zurbanizowanych. Dominującym jego źródłem, dla większości warunków płynnego ruchu, jest współpraca opon z nawierzchnią jezdni. W zależności od typu opony, nawierzchni i stanu technicznego pojazdu, już od prędkości ok. 30-40 km/h, w większości sytuacji drogowych, o poziomie hałasu decyduje hałas opon toczących się po nawierzchni. Konsekwencją tego jest to, że zmniejszenie uciążliwości hałasu drogowego może nastąpić tylko poprzez zmniejszenie hałasu opon lub utrudnienie propagacji dźwięku (czyli ekranowanie).

Hałas opon zależy od wielu czynników. Najważniejsze z nich to: wzór bieżnika, twardość mieszanki gumowej, wielkość opony, tekstura, porowatość i sztywność nawierzchni, prędkość jazdy, obciążenie opony, ciśnienie pompowania i siły styczne (siła napędowa, hamowania, siły na zakrętach).

We współczesnych oponach układ rowków bieżnika jest w dużej mierze zdeterminowany koniecznością ograniczenia hałasu (dominacja rowków wzdłużnych w środkowej strefie bieżnika i poprzecznych w okolicach barków oraz randomizacja, czyli zróżnicowanie podziałki bieżnika na obwodzie opony). Z reguły opony wykonane z miękkiej mieszanki gumowej są cichsze od tych zrobionych z mieszanki twardej. Bardzo korzystna dla zmniejszania hałasu opon jest duża porowatość nawierzchni (nawierzchnie drenażowe, przez które swobodnie przepływa woda) i mała jej sztywność (nawierzchnie elastyczne).

Hałas opon badany jest różnymi metodami. Do najważniejszych należą: metoda bębnowa (opona toczona jest w laboratorium po obracającym się bębnie stalowym albo pokrytym imitacją nawierzchni drogowej), metoda wybiegu (samochód z wyłączonym silnikiem przejeżdża w określonej odległości od ustawionych na poboczu mikrofonów, dzięki czemu jedynym istotnym źródłem hałasu są opony), a także metoda przyczepowa, nazywana również CPX (badane koło zamontowane jest na przyczepie badawczej, na której znajdują się też mikrofony pomiarowe).

W celu umożliwienia porównywania wyników konieczne jest przyjęcie pewnych standardowych właściwości opon i nawierzchni. Przy badaniu i porównywaniu między sobą różnych nawierzchni korzysta się zasadniczo z dwóch opon referencyjnych („SRTT” i „AV4”), a ich porównywanie przeprowadza się na nawierzchni standardowej, wykonanej wg normy ISO 10844. Niestety, znormalizowana nawierzchnia ISO nie jest typowa dla współczesnego budownictwa drogowego, co znacznie zmniejsza reprezentatywność uzyskiwanych wyników. Wybrano ją jednak z tego względu, by w trakcie badań w dużej mierze eliminować hałas opon w celu umożliwienia pomiaru hałasu układu napędowego.

Opór toczenia

Opór toczeniaopon to parametr określający, z jaką siłą przeciwstawia się ona toczeniu po nawierzchni. Opór toczenia opony pokonany musi być przez układ napędowy samochodu co oznacza, że silnik musi dostarczyć dodatkową moc, a w konsekwencji zużywa więcej paliwa. Jedną z miar oporu toczenia opon jest tzw. współczynnik oporu toczenia ft.Jest to stosunek siły oporów toczenia do siły nacisku opony na jezdnię. Typowe, nowoczesne opony do samochodów osobowych charakteryzują się współczynnikami oporu toczenia wynoszącymi 0,007-0,014, w zależności od konstrukcji opony, charakterystyki nawierzchni, ciśnienia pompowania, temperatury i prędkości. Proste obliczenia wskazują więc, że na samochód osobowy o masie ok. 1500 kg działa w typowych warunkach siła oporu toczenia wynosząca 100-200 N (czyli 10-20 kG).

Porównanie sił oporu toczenia z innymi oporami ruchu (oporem aerodynamicznym i oporem bezwładności) wskazuje, że w warunkach średnio szybkiego (70-80 km/h), płynnego ruchu drogowego opór toczenia ma dominujące znaczenie. Przy wolnym i niezbyt płynnym ruchu miejskim dominuje opór bezwładności, a przy szybkiej jeździe autostradowej –aerodynamiczny. Ogólnie przyjmuje się, że dla współczesnego samochodu osobowego zmniejszenie oporu toczenia o 10% skutkuje zmniejszeniem zużycia paliwa o ok. 3%. Wartość ta wydaje się niezbyt wielka, ale biorąc pod uwagę globalną konsumpcję paliw płynnych w transporcie samochodowym, liczby stają się szokujące. Przyjmijmy, że samochód osobowy zużywa rocznie ok. 2000 litrów paliwa. Zmniejszenie współczynnika oporu toczenia o 10% spowoduje redukcję rocznego zużycia paliwa o 3%, czyli 60 litrów (co zmniejszy roczny koszt eksploatacji pojazdu o ok. 300 zł). Według danych statystycznych, dziennie w Polsce transport drogowy (samochody osobowe, ciężarowe i autobusy) zużywa ok. 30 000 t paliwa, czyli dzienna oszczędność w skali kraju wyniesie ok. 1000 t. Jednocześnie następuje zmniejszenie emisji CO2 aż o 3000 t.

Opór toczenia opon jest stosunkowo trudnym do zmierzenia parametrem. Wynika to z konieczności precyzyjnego mierzenia stosunkowo małych sił w obecności sił bardzo dużych (nacisk opony na jezdnię). Do jednej z najbardziej rozpowszechnionych metod pomiaru oporu toczenia opon zalicza się metodę bębnową, opartą na pomiarze sił lub momentów (dla uzyskania dużej reprezentatywności konieczne jest wyposażenie bębnów w repliki nawierzchni drogowych, co jest bardzo trudne). Na świecie istnieje tylko kilka bębnów z takimi replikami, więc w konsekwencji metodyki pomiarowe przewidują badania na gładkich stalowych bębnach, co źle wpływa na ich reprezentatywność. Przykładowe stanowisko do badania oporu toczenia przedstawiono na fotografii 1. Zostało ono zbudowane i jest eksploatowane na Politechnice Gdańskiej. Innymi metodami pomiaru oporu toczenia opon są: metoda bębnowa oparta na wybiegu (występują w niej również problemy związane z replikami), metoda wybiegu na drodze (stosunkowo mała dokładność, duży wpływ zakłóceń), a także metoda przyczepowa, w której badana opona zamontowana jest na specjalnej przyczepie dynamometrycznej. Jedną z trzech na świecie przyczep wykorzystywanych do badania oporu toczenia opon przedstawia fotografia 2.

Znormalizowane badania parametrów opon prowadzone są w oparciu o Regulamin UN/ECE Nr 117. Podlega on ciągłym modyfikacjom, które w założeniu mają dostosowywać metody badań do aktualnego poziomu wiedzy o metodach pomiarowych i ich reprezentatywności. Obecnie regulamin obejmuje metodę drogowego badania hałasu opon oraz przyczepności na mokrej nawierzchni, a także laboratoryjną metodę badania oporu toczenia na bębnie.

Etykietowanie

Od pewnego czasu wiele wyrobów przemysłowych opatrywanych jest informacjami dotyczącymi ich oddziaływania na środowisko. Zazwyczaj jest to informacja pozwalająca na określenie sprawności energetycznej urządzenia (chłodziarki, zmywarki), zużycia przez nie wody (zmywarki) itd. Rozporządzenie EC 1222/2009 wprowadza obowiązek oznaczania opon za pomocą specjalnych etykiet, na podstawie których można ocenić wybrane parametry opon w kontekście wpływu na środowisko i bezpieczeństwa eksploatacji pojazdu.

Zgodnie z rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego (Nr 661/2009), opony dzielą się na klasy C1, C2 i C3, dla których określone są wymagania związane z etykietami. Upraszczając, można powiedzieć, że klasa C1 to opony do samochodów osobowych, C2 – dostawczych, a C3 – ciężarowych i autobusów. Rozporządzenie EC 1222/2009 wymaga, aby etykieta dotycząca opon zawierała parametry pozwalające na ocenę opony pod względem oporu toczenia, przyczepności na mokrej nawierzchni i hałaśliwości zewnętrznej (tzn. hałasu emitowanego do środowiska, a nie do kabiny pojazdu). Wartość parametrów uzależniona jest od przeznaczenia (klasy C1, C2 i C3) opony.

Pod względem oporu toczenia (efektywności energetycznej) etykieta opiera się na współczynniku oporu toczenia (RRC), wyrażonym w kg/t (prawidłowo powinno być kG/t). Poszczególnym zakresom współczynnika przypisane są klasy efektywności energetycznej, oznaczone literami A-G. Zakresy te różnią się dla opon klasy C1, C2 i C3. Litera A odpowiada oponom o najmniejszym oporze toczenia, a litera G – największym. Przykładowo oponom do samochodów osobowych (C1) o współczynniku oporu toczenia wynoszącym od 7,8 do 9 kg/t (0,0078 £ ft £0,009) nadawana jest klasa C.

Przyczepność opon na mokrej nawierzchni (obowiązkowa tylko dla opon klasy C1) jest klasyfikowana w oparciu o specjalną procedurę opisaną w Regulaminie UN/ECE Nr 117 i podobnie jak w przypadku oporu toczenia, opona uzyskuje klasę od A do G. Litera A oznacza najlepszą przyczepność. Należy zwrócić uwagę na to, że wszystkie badania objęte etykietą wykonywane są dla opon nowych, więc opona zużyta będzie miała znacznie niższą przyczepność na mokrej nawierzchni niż wynika to z etykiety.

Hałaśliwość opon klasy C1, C2 i C3 oznaczana jest w inny sposób niż efektywność energetyczna i przyczepność. Zamiast klas oznaczonych literami podaje się poziom hałasu N, wyrażony w decybelach, oraz piktogram w sposób symboliczny pokazujący, czy opona jest cicha, głośna lub „średnia”. Zaklasyfikowanie do jednej z trzech grup hałaśliwości następuje przez porównanie hałasu danej opony z wartością progową (LV).

Przykładowa etykieta dla opony do samochodów osobowych przedstawiona jest na rysunku. W lewym górnym rogu znajduje się klasyfikacja energetyczna – klasa B, czyli współczynnik oporu toczenia w zakresie 6,6-7,7 kg/t. Z kolei w prawym górnym rogu umieszczono wskaźnik klasyfikacji pod względem przyczepności – klasa B, czyli indeks przyczepności 1,40 ≤ G ≤ 1,54. Na dole etykiety widnieje informacja o hałaśliwości, wynoszącej 72 dB, i piktogram wskazujący, że odpowiada to średniemu poziomowi hałaśliwości.

Etykiety stanowią postęp w stosunku do starego systemu oznaczeń, opartego na wymaganiach DOT, które straciły aktualność z uwagi na duży postęp w produkcji opon. Należy spodziewać się tego, że system etykiet dla opon również będzie sukcesywnie modyfikowany i w przyszłości obejmie jeszcze więcej informacji. Analizując dane przedstawione na etykietach, trzeba jednak cały czas mieć na uwadze, że charakteryzuje on nową oponę, toczącą się po nawierzchniach referencyjnych, które nie są zbyt reprezentatywne w warunkach europejskich.

prof. dr hab. inż. Jerzy Ejsmont, Katedra Konstrukcji Maszyn i Pojazdów, Politechnika Gdańska

Opublikowano: Ecomanager Numer 4/2012 (25)

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *