Mätvagn för rullmotstånd, buller och partiklar

Transkript

1 VTI PM Diarienummer: 2016/ Mätvagn för rullmotstånd, buller och partiklar En förstudie av möjligheter och hinder Annelie Carlson Sara Janhäll Anders Genell Ida Järlskog Tiago Vieira

2

3 Förord Detta arbete har kunnat genomföras med ett stipendium från NVF. Annelie Carlson har varit projektledare och har ansvarat för PM:et i sin helhet samt delarna om rullmotstånd. Anders Genell har ansvarat för buller och Sara Janhäll för partiklar. Ida Järlskog och Tiago Viera har också bidragit med insatser avseende partiklar respektive buller och rullmotstånd. Ett tack riktas till Ulf Sandberg (VTI) som har medverkat med sin kunskap om mätning och mätutrustning inom rullmotstånd, och buller och till Jens Oddershede (Vejdirektoratet) som har demonstrerat deras mätvagn för buller. Mats Gustafsson tackas också för sitt bidrag med värdefulla kommentarer till PM:et. Linköping, maj 2017 Annelie Carlson VTI PM

4 VTI PM

5 Innehållsförteckning Sammanfattning Inledning Bakgrund Mål och syfte Disposition Metod Rullmotstånd Mätmetoder och standarder Trumma Coast down (utrullning) Bränsleförbrukning Trailer Internationella standarder för att mäta rullmotstånd Mätutrustning trailer Indirekt mätning av rullmotstånd Direkt mätning av rullmotstånd Att tänka på vid mätning av rullmotstånd Buller Mätmetoder och standarder SPB-metoden CPX-metoden Mätning av L AE och L Aeq Mätutrustning Sammanfattning av krav enligt ISO Partiklar Mätmetoder och standarder Partikelmätning Halt- eller utsläppsmätning? Mätning av vägdammsförrådet Fordonsburna mätmetoder Mätfordon som mäter i vaken bakom fordonet Mätfordon som mäter nära hjulet Kalibrering av mätfordon Att tänka på vid mätning av slitagepartiklar Potentiella konflikter mellan utrustning för olika mätstorheter Kostnader Fortsatt arbete...38 Referenser...39 VTI PM

6 VTI PM

7 Sammanfattning Mätvagn för rullmotstånd, buller och partiklar - En förstudie av möjligheter och hinder av Annelie Carlson (VTI), Sara Janhäll (VTI), Anders Genell (VTI), Ida Järlskog (VTI) och Tiago Vieira (VTI) Nya typer av beläggningar utvecklas kontinuerligt med syfte att få ett mer energieffektivt och miljövänligt trafiksystem. För att kunna bedöma om dessa beläggningar lever upp till förväntningarna i ett längre perspektiv finns det ett behov av att över tid kunna mäta olika miljöaspekter. Datat kan sedan användas för att göra uppföljningar, utvärderingar och analyser, samt för att se till att flera aspekter beaktas vid val av beläggningar. Ett effektivt sätt för att göra detta med en tillräckligt hög kvalitet på resultaten är att använda en mätutrustning som kan mäta rullmotstånd, buller och partiklar samtidigt och i samband med att vägytans egenskaper också registreras. Värdet med att ha en mätvagn som kan mäta alla aspekterna på samma gång, eller i olika kombinationer, består i bättre samstämmighet mellan olika mätdata och i effektivare mätning då alla perspektiv kan hanteras vid samtliga planerade mättillfällen och med samma förutsättningar. Detta PM ger en översikt av de mätmetoder och mätutrustningar som finns idag vad gäller enskilda mätningar av rullmotstånd, buller och slitagepartiklar. Vidare ges en översikt på de krav och möjligheter som identifierats för att konstruera en mätutrustning som samtidigt kan mäta de tre miljöaspekterna i relation till vägytans egenskaper. Ett mål är att i framtida projekt utveckla en mätvagn i ett samnordiskt projekt där utrustningen kan användas av alla de nordiska länderna, så att allt insamlat data är tillgängligt för samtliga deltagare och så att erfarenheter och kunskaper delas. Syftet är att uppnå en förbättrad kvalitet på mätningar och förbättrade möjligheter till utvärdering av miljöaspekter för interaktionen mellan vägyta och däck. Sådan kunskap kan utgöra ett viktigt bidrag till att uppnå ett mer miljövänligt trafiksystem. VTI PM 7

8 8 VTI PM

9 1. Inledning 1.1. Bakgrund Nya typer av beläggningar utvecklas med syfte att få ett mer energieffektivt och miljövänligt trafiksystem. För att kunna bedöma om dessa beläggningar lever upp till förväntningarna i ett längre perspektiv finns det ett behov av att över tid kunna mäta olika miljöaspekter. Informationen kan sedan användas för att göra uppföljningar, utvärderingar och analyser, samt för att se till att flera aspekter beaktas vid val av beläggningar. Ett alternativ för att kunna göra mätningar på ett effektivt sätt med tillräckligt hög kvalitet på resultaten är att använda en mätutrustning som kan mäta alla dessa miljöparametrar samtidigt och i samband med att vägytans egenskaper också registreras. Värdet med att ha en mätvagn som kan mäta alla aspekterna på samma gång, eller i olika kombinationer, består i bättre samstämmighet mellan olika mätdata och i effektivare mätning då alla perspektiv kan hanteras vid samtliga planerade mättillfällen och med samma yttre förutsättningar. Det finns idag ett behov av en gemensam nordisk mätvagn för rullmotstånd. Av de utrustningar som nu finns i Europa används majoriteten endast av de institut som tagit fram respektive mätutrustning. Detta begränsar möjligheten att jämföra mätresultat och att göra större aggregerade analyser. Det är endast den polska mätvagnen vid Tekniska universitetet i Gdansk (TUG) som kan hyras in av andra organisationer, vilket har inneburit att den utrustningen har hög beläggningsgrad och det kan ta lång tid innan det går att få mätningar av rullmotstånd genomförda. Att samtidigt med rullmotstånd kunna mäta buller och partiklar ger ett stort mervärde och en sådan funktion ligger i linje med att man hos många uppdragsgivare i större utsträckning vill inkludera fler miljöaspekter av vägtrafiken, för att på så sätt kunna få tillräckligt underlag för att beräkna samhällsekonomiska effekter i utvärderingarna. En mätvagn som byggs och underhålls inom ramen för ett nordiskt samarbete skulle också innebära att man har bättre kontroll på metoden, funktionen och utförandet av mätningarna. De nordiska länderna har dessutom normalt annan vägbeläggning än övriga länder längre söderut i Europa på grund av förekomsten av dubbdäck och vinterväglag, vilket kan ge andra krav på mätvagnen än för sydligare länder. I Figur 1 visas en generell översikt av olika effekter som uppkommer på grund av olika egenskaper hos vägyta och ungefär mellan vilka våglängder som dessa effekter kan förväntas uppstå (Sandberg m.fl. 2011). Enligt figuren kan rullmotstånd huvudsakligen förväntas bero på egenskaper hos vägen som ligger i våglängders område mellan ojämnhet och makrotextur. Buller uppstår på grund av textur som ligger inom intervallet megatextur till mikrotextur medan slitage framförallt beror på makro- och mikrotextur. VTI PM 9

10 Figur 1. Intervall av texturens våglängd samt spatial frekvens av textur och ojämnhet och dess förväntade effekt 1 (fritt översatt från Sandberg, m.fl. 2011) Mål och syfte Målet med projektet är att undersöka möjligheten till och förutsättningarna för att utveckla och konstruera en ny och typ av mätvagn som simultant kan mäta rullmotstånd, luftföroreningar och buller i relation till vägytans egenskaper. Möjliga tekniska lösningar samt en uppskattning av kostnaden för att bygga en sådan mätvagn har undersökts. Ett mål är att utveckla en mätvagn i ett samnordiskt projekt där utrustningen kan användas av alla de nordiska länderna, så att allt insamlat data är tillgängligt för samtliga deltagare och att erfarenheter och kunskaper delas. Syftet är att med hjälp av en mätvagn uppnå en förbättrad kvalitet på mätningar och förbättrade möjligheter till utvärdering av miljöaspekter för interaktionen mellan vägyta och däck. Sådan kunskap kan utgöra ett viktigt bidrag till att uppnå ett mer miljövänligt trafiksystem Disposition En kort introduktion till respektive faktor som ska undersökas följs av en beskrivning av mätmetoder och eventuella standarder samt befintliga mätutrustningar som kan vara aktuella att använda till att konstruera en mätvagn. Faktorerna som beskrivs är rullmotstånd i kapitel 2, buller i kapitel 3 och slitagepartiklar i kapitel 4. Potentiella konflikter som kan uppstå med att mäta alla faktorer samtidigt diskuteras i kapitel 5. I kapitel 6 redovisas de kostnadsuppskattningar som finns för utrustningen och i kapitel 7 tas planer för fortsatt arbete upp Metod För att inventera forskningsläget avseende mätmetoder för de miljöparametrar som ingår i förslaget till mätvagn genomförs en sökning i databaser med avseende på tidskriftsartiklar och rapporter i den vetenskapliga litteraturen. Dessutom genomförs en allmän sökning i sökmotorer på internet för att hitta projekt, rapporter och rekommendationer som inte finns registrerade i de databaser som omfattar resultat som publicerats vetenskapligt. Förutom detta har vid behov tagits kontakt med de organisationer som idag har och använder liknande mätutrustning. 1 En grön nyans betyder en positiv effekt av textur medan en röd nyans betyder en ogynnsam effekt. 10 VTI PM

11 2. Rullmotstånd För att ett fordon ska kunna färdas framåt måste det överkomma ett antal olika färdmotstånd. Dessa utgörs av rullmotstånd, luftmotstånd, gravitation på grund av vägens horisontella lutning, intern friktion och tröghet vid acceleration och inbromsning (Michelin 2003). Även sidokrafter som uppstår vid kurvor spelar en roll i sammanhanget (Sandberg 2011). Ju högre färdmotstånd desto mer kraft, och därmed bränsle, behövs för att överkomma motståndet. Hur mycket bränsle som behövs beror sedan på effektiviteten av att omvandla energin i bränslet till mekanisk energi och i överföringen till axlarna och hjulen. Den största energiförlusten för fordon med konventionella förbränningsmotorer sker i själva förbränningen där energieffektiviteten är ca 25 till 30 procent medan resten av energin försvinner i form av värmeförluster. Bidraget från de olika färdmotstånden varierar med avseende på fordonstyp och hastighet (National research council 2006; Beuving m.fl. 2004; Sandberg 2011). I Figur 2 visas ett exempel på detta 2. Som framgår av figuren ökar luftmotståndet med ökad hastighet. Detsamma gäller för ojämnhet (IRI) för tunga fordon. I övrigt är motstånden förhållandevis konstanta. Vad gäller rullmotstånd är det mer betydande för tunga fordon jämfört med vad det är för personbilar, för vilka luftmotståndet är det som påverkar mest. För att uppnå mål med energieffektivitet och minskade utsläpp av växthusgaser har ett stort fokus legat på att få själva fordonet mer bränslesnålt genom att exempelvis göra motorerna mer effektiva (National research council 2006). På senare tid har mer fokus hamnat på rullmotstånd. Enligt Barrand & Bokar (2009) utgör rullmotstånd mellan 5 till 30 procent av bränsleförbrukningen för en typisk personbil och mellan 15 till 40 procent för tunga fordon, beroende på vilket körförhållande som gäller. Tidigare beräkningar visar att ett minskat rullmotstånd på ca 10 till 20 procent kan leda till energibesparingar inom trafiken på ca 2,5 procent för personbilar och 3,6 procent för tunga fordon inom EU (Fontaras & Samaras 2010). Nyare beräkningar presenterade i Ejsmont (2015) visar att bränsleförbrukningen vid låga samt medelsnabba hastigheter kan minska med ca 5 till 8 procent om rullmotståndet minskar med ca 15 till 20 procent. Då rullmotstånd utgör en viktig del av det totala färdmotståndet finns det därmed en potential för energibesparingar om rullmotståndet kan minskas. Det pågår i dagsläget forskning som syftar till att minska rullmotståndet med avseende på däckens utformning och egenskaper och vägytans egenskaper, utan att minska trafiksäkerheten. 2 Framdrivning ingår inte som komponent. VTI PM 11

12 Figur 2. Bidrag till färdmotstånd, uppskattat med utrullningsmetoden (figur från Sandberg 2011). Vägytans bidrag till rullmotstånd sker genom att dess textur och ojämnhet påverkar deformationen av däcken (National research council 2006). Fordon som trafikerar en väg som har en hög textur och/eller en hög ojämnhet kommer att få däck att deformeras mer samt gör att större förluster uppstår i fjädringssystemet relativt en slät yta, med mer energiförluster som resultat (Sandberg 2011). Texturen delas in i tre delar: mikro-, makro- och megatextur. Mikrotexturen avser ytan hos de enskilda stenarna och beskriver vägytans strävhet. Makrotextur är ett mått på form och storlek hos stenarna i beläggningen. Megatexturen beskriver större deformiteter, som skarvar och potthål. Ojämnhet finns dels längs med vägen, dels tvärs vägen. Ojämnheter längs vägen beskriver en sammanvägd bild av alla ojämnheter, exempelvis gupp och sättningar, som finns på vägytan. Ojämnhet tvärs vägen är spårdjup. Vägytan kan möjligen också bidra till ett ökat rullmotstånd genom deflektion, vilket innebär att vägytan deformeras av fordonets vikt, och beror på vägens styvhet i vägbädden och i överbyggnaden. Styvheten beror i sin tur på typen av beläggning där exempelvis en asfalt med inslag av gummi kan antas deformeras mer under tryck och därmed leda till högre rullmotstånd. Betydelsen av deflektion och styvhet för rullmotstånd är dock inte klarlagt. 12 VTI PM

13 Däckens bidrag till rullmotstånd beror på hur däcken deformeras vid kontakt med vägytan då däcket rullar samt vid hysteres 3 i däckgummit och däckens struktur (Sandberg 2011). I sammanhanget spelar bland annat temperaturen och lufttrycket i däcket en viktig roll samt att hjulen är rätt riktade (National research council 2006). I Sandberg (2011) finns en detaljerad lista med de effekter som påverkar däckens rullmotstånd. En kort sammanfattning är att trycket på däcket ger en deformation, en tillplattning av slitytorna på däcket, vilket kan reduceras ifall vägytan är något flexibel. En del av deformationen kommer då att ske i vägytan istället. Beroende på trycket kommer gummimaterialet i slitytan att komprimeras och när trycket minskar kommer materialet att expandera. Även trycket som uppstår mellan slitytan och vägytan gör att gummit komprimeras och expanderar då gummit tränger in i slitbanan, och vice versa. En obalans i däcken eller vägbanan medför att däcken "studsar" vid framförandet, vilket leder till mer eller mindre tillplattning på kontaktytan. En del av denna energi kommer att förbrukas i stötdämparen Mätmetoder och standarder Det finns ett flertal metoder för att uppskatta storleken på rullmotståndet. Dessa är trumma, coast down (utrullning), bränsleförbrukning och mättrailer Trumma Med trummetoden kan man mäta energiförluster som beror på interaktionen mellan vägyta och däck. Tester sker i en laboratoriemiljö där man kan kontrollera omgivningen i större utsträckning än med de andra metoderna och man undviker att få med många av de effekter som kan påverka energiförlusterna (Sandberg 2011). Ett problem med denna metod är att även luftmotstånd från hjulen kan påverka resultatet varför denna effekt också behöver mätas så att den kan dras ifrån och att det som återstår endast representerar rullmotståndets effekt. Enligt uppgift i Sandberg (2011) kan denna effekt uppgå till 15 procent. Dessutom motsvarar inte luftmotståndet som uppstår i laboratoriemiljö det som sedan sker på väg, vilket kommer att ge resultat som inte är representativa ifall luftmotståndseffekten skulle räknas med. Hjulen som ska testas rullar mot en trumma som roterar med hjälp av en elmotor. Trumman har antingen en slät stålyta eller så är den belagd med sandpapper alternativt en kopia av en vägyta. Däcket som ska testas kan antingen rulla på utsidan av trumman eller på insidan. Målet är att ha en relativt plan yta i kontakten mellan däcket och trumman, vilket gör att trumman måste ha en större diameter ifall däcket ska rulla mot dess insida. Att testa med däcket på insidan av en trumma ger dock fördelen att man kan använda fler typer av kopior av vägyta då risken är mindre att vägytan lossnar från trummans yta på grund av centrifugalkraften. I Sandberg (2011) beskrivs olika mätmetoder för att få fram rullmotståndet: Vridmoment: Mätning av motståndskraften av vridmomentet i trumnavet. Hastighetsminskning: Mätning av hur hastigheten minskar efter det att drivkraften (elmotorn) slås av. Kraft: Mätning av motståndskraften i hjulets spindelled. Effekt: Mätning av den eleffekt som behövs för att trumman ska rotera. 3 Hysteres är när ett material avger energi som värme när det sträcks ut och komprimeras. VTI PM 13

14 Coast down (utrullning) Vid utrullning används ett fordon som man låter rulla fritt på en väg mellan en utpekad start- och slutpunkt. Vid frirullningen är växeln i friläge och kopplingen nedtryckt. Fordonets hastighet mäts kontinuerligt över teststräckan. Alternativt kan man välja att endast mäta hastigheten vid teststräckans start- och slutpunkt och utifrån denna information beräkna en genomsnittlig retardation. De olika färdmotstånden som finns kommer att göra att fordonet saktar ned då den inte får extra kraft från motorn. Ju större motstånd desto snabbare blir inbromsningen, allt annat lika. Med coastdown kan man undersöka energiförluster på grund av flera olika faktorer såsom förluster på grund av luftmotstånd, transmission, fjädringssystem, förluster i däck på grund av interaktionen med vägyta och luftmotstånd från däckens rotation och friktion (lager) (Sandberg 2011). Det svåra är att kunna särskilja de olika bidragen till energiförlusten. Mätningarna är känsliga för omgivande faktorer varför de också behöver kontrolleras och mätas. Dessa faktorer är: Omgivande temperatur Vindhastighet Vindriktningen i förhållande till fordonets färdriktning Omgivande lufttryck Omgivande luftfuktighet Bränsleförbrukning Med denna metod används ett fordon som utrustas med ett antal mätinstrument för att få information om de omvärldsfaktorer som har betydelse för bränsleförbrukningen. Metoden bygger på att man gör upprepade mätningar med ett fordon längs en känd och inmätt vägsträcka där man har information om textur, ojämnheter, gradient mm. Vid varje tillfälle som fordonet kör längs sträckan registreras sedan ett flertal parametrar som bränsleförbrukning, tid, reslängd, hastighet, temperatur på bensin. För att minimera felkällor bör de parametrar, som inte ska ingå men som kan påverka bränsleförbrukningen, hållas konstanta. Det kan till exempel vara fordonets vikt samt olika utrustningar som exempelvis AC, bilradio, inre och yttre belysning etc Trailer Med en trailer kan man mäta förluster på grund av friktionsförluster (lager), däckens luftmotstånd förutsatt att testdäcket inte är inkapslat, samt interaktionen däck och vägyta. Även fjädringsförluster kan mätas men det är osäkert om de är representativa för ett verkligt fordon (Sandberg 2011). Det finns två principiella huvudmetoder för att mäta rullmotstånd (Zöller 2014): Direkt Mätningen utvärderar rullmotstånd genom att mäta rullmotståndets kraft relaterat till en fast referenspunkt. Indirekt Rullmotstånd utvärderas genom att mäta olika fysiska variabler, som till exempel vridmoment eller förskjutningsvinkel. 14 VTI PM

15 Internationella standarder för att mäta rullmotstånd Det finns fyra fastställda internationella standarder för att mäta rullmotstånd hos däck och de är alla baserade på laboratorietester med trumma som mätmetod. Två stycken är ISO-standarder 4, ISO 18164:2005 och ISO 28580:2009 (ISO 2005; ISO 2009) och två är SAE-standarder 5, SAE J1269 och SAE J2452 (SAE 1999; SAE 2006). Tre av dem definierar rullmotstånd som energiförlust per sträcka, medan en definierar den som kraft mätt i Newton. Standarderna anger hur mätningarna ska genomföras med avseende på exempelvis typ av mätmetod (vridmoment, hastighetsminskning, kraft, effekt), antal mätkonfigurationer, diameter på det hjul som ska testas, vilken typ av yta som ska användas i trumman, hastighet, referenstemperatur och temperaturintervall (Sandberg m.fl. 2012). Den angivna hastigheten är antingen konstant 6, 80 km/h, eller avtagande 7. Vid mätning med avtagande hastighet startar man vid 115 km/h och avslutar vid 15 km/h, vilket efterliknar coastdown. Även antalet mätkonfigurationer specificeras där mätningarna ska göras med en konfiguration (singel-point) eller med flera (multi-point). Vid en single-point undersöks rullmotståndet vid en kombination av lufttryck i och belastning på däcket och används i SAE J1269 samt ISO 28580:2009. Vid en multipoint så undersöks en serie av kombinationer av lufttryck i och belastning på däcket och där rullmotståndet sedan beräknas med hjälp av regression av mätresultaten, Detta för SAE J1269, SAE J2452 samt ISO 18164:2005. Förutom ISO och SAE finns även en ECE-reglering 8, ECE R117, som inkluderar en mätmetod för rullmotstånd på däck (UN/ECE 2011). Idag finns det ingen standard för att mäta vägytans effekt på rullmotstånd (Sandberg m.fl. 2012). Arbetet med att ta fram en sådan standard för trailer har dock påbörjats i och med samarbetsprojektet ROSANNE 9, vilket är finansierat inom det 7:e ramprogrammet 10. Målet för projektet är att utveckla och samordna mätmetoder för friktion, buller och rullmotstånd med avseende på vägyta, som en förberedelse för standardisering. I Zöller (2014) sammanställs de rekommendationer som man kommit fram till avseende till exempel testmetod, referenshastighet, referensdäck, däckens lufttryck och belastning, teststräcka, mätning av parametrar och datanalys Mätutrustning trailer Det finns några mätvagnar som mäter rullmotstånd i Europa och i följande delkapitel beskrivs två av dess som utgår från olika mätsystem, en med direkt mätning och en med indirekt mätning av rullmotstånd Indirekt mätning av rullmotstånd Ett exempel på en mätvagn som använder indirekt mätning har konstruerats och byggts vid Gdańsk Tekniska Universitetet (TUG). Mätningar började genomföras år 2005 och sedan dess har metoden och mätutrustningen kontinuerligt förbättrats. En bild på mätvagnen, kallad R 2, visas i Figur 3. 4 International Organization for Standardization. 5 Society of Automotive Engineers. 6 SAE J1269, ISO 18164:2005 och ISO 28580: SAE J United Nations Economic Commission for Europe. 9 ROlling resistance, Skid resistance, ANd Noise Emission measurement standards for road surfaces. 10 rosanne-project.eu/ VTI PM 15

16 Figur 3. Gdańsk Tekniska Universitetets (TUG) trailer för att mäta rullmotstånd (foto från Zöller 2014). Mättrailern har tre hjul vilket gör att den kan stå själv och den kan enkelt transporteras. Både vid mätningar och transport dras den av en personbil. De främre hjulen på trailern agerar stödhjul. Dessa är utrustade med ett hydrauliskt bromssystem som är tillräckligt för att ge effektiv inbromsning under transport och test. Det finns också ett fjädringssystem i de främre hjulen som kan blockeras medan mätningar genomförs, vilket ska säkerställa att mätvagnens horisontella läge hålls så plant som möjligt och att det inte varierar under tiden som mätningarna görs. Själva mätningen görs på det bakre hjulet och där rullmotståndet utvärderas genom att man studerar förskjutningsvinkeln (deflection angle). Vissa detaljer i konstruktionen ses i Figur 4. Figur 4. TUG mätvagn - konstruktionsdetaljer (bild från Zöller 2014). De främre hjulen på mätvagnen är placerade vid (3). Den horisontella armen i Figur 4 (1) förbinder det främre och bakre fjädringssystemet. (1) är kopplad till vridarmen (4), som är kopplat till mätdäckets nav. Ballasten (6) förser mätdäcket med en normal belastning och den är ansluten till den horisontella armen (2). (2) har samma rotationspunkt som (1). Punkten (7) visar ett stötdämparelement som överför 16 VTI PM

17 belastningen mellan (1) och (2). Det finns också en komponent som används för att reducera vibrationer, men den är inte inritad i figuren. Vid mätning och när trailern dras kommer kraften från rullmotståndet att dra i vridarmen (4) och det uppstår en vinkel, Θ, mellan vridarmen (4) och den horisontella armen (1). Deflektionen av vridarmen mäts med hjälp av lasersensor som sitter monterad på den horisontella armen (1). Rullmotståndskoefficient definieras sedan som kvoten mellan rullmotståndet Pf och den vertikala belastningen FZ, Cr = P f F z. Mätutrustningen genomgår en kalibreringsprocedur innan mätning på väg sker. Kalibreringen sker på en plan yta och under laboratoriemässiga förhållanden. Testdäcket värms upp före en testperiod och under en tillräckligt lång tid för att uppnå en stabilisering av lufttrycket i däcket, minst 15 min. Senare under mätningen kan lufttrycket kontrolleras och hållas stabilt genom att det går att fjärrstyra ventil och tryckgivare. Mätsträckan är normal sett 400 m lång och den körs minst två gånger för varje däck och varje hastighet. När det finns möjlighet körs mätsträckan flera gånger och i båda riktningar. Mättrailern är utrustad med en skyddande huv för att undvika effekten med luftmotstånd. Det finns också system som kompenserar för lutning på vägen, acceleration och andra icke önskvärda effekter Direkt mätning av rullmotstånd I början av 90-talet konstruerades och byggdes en mätvagn för rullmotståndsmätningar vid BASt (Bundesanstalt für Straßenwesen). För mätningen används en direkt metod där rullmotståndskraften utvärderas på spindelleden hos ett testhjul, som är monterat på ett separat dämpningssystem. En kombination av en tryckluftsdriven cylinder och en kvävebehållare används för att uppnå den önskade belastning på testhjulet. Figur 5 visar hur mätvagnen ser ut och i Figur 6 visas vagnens konstruktionsdetaljer. Trailern är också utrustad med sensorer för att mäta omgivande lufttemperatur samt en infraröd sensor för att mäta temperaturen på däcken vid dess skuldra 11. Figur 5. BASt rullmotståndsmätvägn (bild från Zöller 2014). 11 Däckets skuldra är det område där tråden och sidoväggen möts. VTI PM 17

18 Figur 6. BASt konstruktionsdetaljer (bild från Zöller 2014). Den mätta kraften vid transduktorn (K 1) består av rullmotstånd, friktion i lager, luftmotstånd och vindturbulens, avvikelse från nollpunkten i transduktorerna samt påverkan av den vertikala lasten på den longitudinella kraften. För att få storleken på rullmotståndet måste de fyra andra krafterna som mäts tas bort. Genom att genomföra statisk kalibrering och genom att mäta med två olika normala laster är det möjligt att räkna bort de krafter som man inte vill ha med i mätningen. Kalibreringen är nödvändig att genomföra eftersom trailern inte nödvändigtvis kommer att vara parallell mot vägytan (Zöller 2014). Man gör antagandet att rullmotståndet inte ändras speciellt mycket över teststräckan och det är medelvärdet av respektive kraft som används när rullmotståndskoefficienten beräknas Att tänka på vid mätning av rullmotstånd Mätning av rullmotstånd på väg är komplicerat och det finns flera problem och felkällor som man behöver ta hänsyn till och de effekter som kan störa rullmotståndsmätningarna måste elimineras. Det är små krafter som ska mätas i en omgivning där det finns andra, betydligt större, krafter som kan påverka. Därför är det nödvändigt att utrustning och mätinstrument är avancerade, att de kalibreras före varje mätning samt att de används på rätt sätt. Det är viktigt att mätvagnen hålls parallell mot vägytan, att mätdäcket kör i ett hjulspår, är rätt riktat och belastat. Vissa mätvagnar kan, utan att det är avsikten, mäta sidokrafter (Sandberg 2011). De kan också vara mer eller mindre känsliga för krafter på grund av tröghet och gravitation. Luftmotstånd och temperaturer spelar också en viktig roll för mätningarna. En inkapsling av testdäcket minskar risken för att det påverkas av luftmotståndet. Samtidigt måste ventilationen vara tillräckligt bra så att temperaturen runt och i däcket inte påverkas. Ytterligare faktorer som måste kontrolleras är att däcken är tillräckligt uppvärmda innan mätning och att det har rätt lufttryck som inte varierar under mätningen. En teststräcka bör vara minst 400 m lång och den bör köras minst två gånger i varje riktning samt i varje hastighet som testas. Är sträckan kortare behövs generellt sett fler körningar för att minska osäkerheten i mätdata. Viktig information om teststräckan är dess egenskaper som textur, ojämnhet, gradient, tvärfall, kurvatur och förekomst av fukt/väta. Dessa uppgifter måste kopplas ihop med de data som samlas in av mätvagnen. 18 VTI PM

19 3. Buller Buller från vägtrafik uppstår dels genom motorljud, dels genom interaktionen mellan vägyta och däck. Vägytans egenskaper påverkar genom ett antal parametrar som textur, porositet och mekanisk impedans (Goubert 2014). Det påverkar i sin tur olika fenomen som ger upphov till buller, det vill säga vibrationer i däcken samt effekter som kallas luftpumpning och horneffekten. Vägytan kan i sig hjälpa till att absorbera ljud. Hur stor den effekten är beror på hur porös vägytan är, det vill säga antal och utseende på hålrum i asfalten. Hålrum som är ihopkopplade med varandra och med atmosfären kan absorbera ljud som uppstår både från däcken och från motorn. Vibrationer i däcken bidrar väsentligt till ljud från interaktionen vägyta/däck och uppstår då däcken rullar över en yta som inte är helt jämn. Ojämnheterna framkallar vibrationer i däckens slitbana och indirekt även i däckens väggar. Denna faktor blir mer betydande ju större ojämnheterna i vägytan är, dock endast till en viss gräns. Ojämnheterna behöver vara tillräckligt djupa och breda, ca 1 cm horisontellt, för att orsaka vibrationer. Är de mindre än så har de emellertid nästan ingen betydelse i sammanhanget på grund av däckmaterialets inre vibrationsdämpande egenskaper. Är ojämnheterna tillräckligt stora kommer hela hjulet röra sig upp och ner och en sådan rörelse orsakar inte vibrationer i däcket som ger upphov till hörbart ljud. Andra exempel på orsaker till vibrationer som bidrar till ljud är stick-slip och stick-snap. Stick-slip ger upphov till ljud som kommer från däckets slitbaneelement och som hörs i extrema fall som "skrikande" i kurvor. Stick-snap är ljud som uppkommer när däck och vägyta vidhäftas. Fenomenet med luftpumpning är en aerodynamisk impuls och uppstår då ett däck rullar över en slät yta och då den luft som blir instängd i hålrum mellan däcket och vägytan komprimeras och sedan släpps ut när däcket rullar vidare. Detta fenomen ökar ju större kontaktytan är mellan däck och vägyta. På relativt släta vägytor och/eller som har en hög porositet så blir tillskottet till ljudbilden inte så stort eftersom dessa egenskaper leder till en bättre luftcirkulation och luften blir inte lika lätt instängd. Horneffekten innebär att det ljud som uppstår mellan vägyta och däck förstärks då ljudvågorna reflekteras i det koniska utrymmet som bildas dem emellan, både bakom och framför, när däcket rullar. Principen liknar det som upplevs med en megafon eller liknande. Med andra ord så är inte horneffekten en mekanism som genererar ljud i sig men det ljud som finns blir starkare. Effekten kan mildras genom att vägytan har hålrum Mätmetoder och standarder I Kragh (2013) sammanställs ett antal metoder för att mäta buller. Dessa är: SPB CPX Mätning av L AE Mätning av L Aeq SPB-metoden SPB-metoden (Statistical Pass-By) baseras på att mäta den maximala A-viktade nivån på ljudtrycket samt fordonshastigheten för ett antal individuella fordon som passerar i ordinarie trafik. Genom att från vägsidan mäta ljudnivån för ett tillräckligt antal passerande fordon av olika fordonstyper kan representativa genomsnittliga värden på ljudnivå för specifika referenshastigheter bestämmas. Detta VTI PM 19

20 görs genom linjär regression av ljudnivån mot fordonshastighet. Dessa genomsnittliga värden för olika fordonskategorier kan sedan sättas samman för att representera buller från en mixad uppsättning fordon i en trafikmiljö. Mätvärden representerar dock enbart en kortare sträcka av vägen. Mätmetoden är också känslig för ljud som studsar (reflekteras) mot omgivande strukturer, såsom byggnader, samt andra föremål som påverkar ljudutbredning från fordon till läget på mikrofonen. En del av dessa problem kan undvikas genom att placera mikrofonen så att den skärmas av från reflekterande ljud. Den främsta fördelen med metoden är att effekten av att fordonets däck strålar ut ljud olika starkt i olika riktningar och andra ljudutstrålningsegenskaper hos ett helt fordon inkluderas i mätresultaten. Det är inte egenskaper som hör till vägytan, men de påverkar de ljudnivåer som vägytan i interaktion med olika däck ger upphov till CPX-metoden CPX-metoden (Close ProXimity) baseras på mätning av buller från referensdäck som rullar på en yta under testet. Däcken är monterade på ett fordon, vilket kan vara självdrivet eller en trailer som dras. Tillsammans med bullernivån mäts också hastigheten och mätvärdena normaliseras sedan till en referenshastighet. Ljudnivåerna är medelvärdesbildade över olika segment av vägen och kan bli medelvärdesbildade för olika hjulspår och för flera upprepade körningar. Några fördelar med CPXmetoden är att mätningarna är snabba och billiga. Mätmetoden är praktisk om det är nödvändigt att utvärdera längre vägsträckor. Den är inte heller lika känslig som SPB vad gäller omgivande miljö i mätområdet och speciella hänsyn till reflektiva objekt nära vägen krävs inte då metoden utvärderar ljud nära källa. Endast de delar av den totala ljudnivån som kommer från interaktionen däck/vägyta beaktas med denna metod. Det ljud som uppstår från framdrivningen, motorn, tas inte med i mätningarna. Det är också möjligt att kapsla in testdäcket för att ytterligare undvika störande externa ljud. CPX kan även användas för att upptäcka tilltäppning av vägytan, effektiviteten av rengöring av vägytan, vägytans homogenitet samt hur väl vägen efterlever ytspecifikationer. Nackdelar inkluderar dyrare utrustning som också kräver bra underhåll och det kan finnas en påverkan på ljudmätningen av dragfordonet och bakgrundsbrus (Sandberg & Ejsmont 2002). Mätvärdena är också begränsade till ett referensdäck som inte nödvändigtvis representerar däckljudet för olika fordonskategorier. Det kan också finnas problem med att mätningen sker i verklig trafik då den önskade hastigheten inte kan hållas på grund av att den omgivande trafiken inte tillåter det. I Figur 7 visas ett testdäck och mikrofonernas positionering vid mätning med CPX-metoden. 20 VTI PM

21 Figur 7. CPX testdäck och mikrofonernas position, standardiserat enligt ISO / DIS (Sandberg, Ejsmont 2002) Mätning av LAE och LAeq Buller på grund av interaktionen däck/vägyta kan uttryckas på olika sätt beroende på mätmetod och mål med mätningen. Två möjligheter beskrivs kortfattat nedan: den ekvivalenta ljudtrycksnivån och exponeringsnivån för ljudet. Den ekvivalenta ljudtrycksnivån är den nivå som, under en viss tid, ger samma energi som den faktiska tidssignalen för ljudet. Det beräknas enligt: t1: Starttid t2: Stopptid p(t): Ljudtryck p ref: Referensljudtryck vid 20 µpa 1 L Aeq = 10log t 2 t 1 t 1 t 2 p2 (t) 2 dt Ett alternativ är att mäta exponeringsnivån för ljudet, SEL (Sound Exposure Level), ibland benämnt L AE, vilket är L Aeq normaliserat till 1 s (1 Hz), så att om ett ljud är 90 dba i en sekund så ger det LAeq = 90 dba och SEL = 90 dba, men om ett ljud är 90 db i två sekunder så ger det LAeq = 90 dba men SEL = 93 dba, det vill säga det ljudtryck som på en sekund ger samma energi som 90 dba i två sekunder. SEL är känsligt för bakgrundsljud eftersom man summerar alla bidrag över tid, istället för att bilda medelvärde. För korta ljudhändelser som fordonspassager har SEL hög precision eftersom man får större känslighet genom att betraktat totala energin i passagen. Därför bör L AE användas i särskilda fall, när det krävs stor precision i mätningen (Sandberg & Ejsmont 2002). p ref VTI PM 21

22 3.2. Mätutrustning Det är lämpligt att utgå från CPX-metoden för att se vilken utrustning som kan vara passande att använda på en mätvagn. Vid Vejdirektoratet i Danmark finns till exempel redan idag en vagn för närfältsmätning av däcksbuller som är utformad för att uppfylla kraven enligt CPX-metoden (ISO/DIS ), se Figur 8. Denna mätvagn är en lämplig utgångspunkt för att undersöka möjliga synergier och konflikter i mätmetoder för de olika områdena. Denna trailer har ingen huv som skyddar utan är helt öppen. Axelbredden är 1,84 m (Crow 2012). Figur 8. Mätvagn för buller vid Vejdirektoratet i Danmark (foto: Sara Janhäll). En annan mättrailer är Tiresonic Mk4 som är konstruerad och används av Universitetet i Gdansk i Polen (TUG). Trailern används och har tidigare använts för att mäta buller i samarbetsprojekt med VTI. Den har ett hölje som skyddar däck och mikrofoner från oönskat trafikbuller och vind. Figur 9 visar den polska vagnen vid en mätning i Sverige. Referensdäck och mikrofoner finns under huven, vilket visas i Figur 10. Figur 9. Tiresonic Mk 4 mätvagn från Gdansk Universitetet vid mätning i Sverige (foto: Tiago Vieira). 22 VTI PM

23 Figur 10. Tiresonic Mk4 detaljer: mikrofoner och referensdäck (foto: Tiago Vieira). Föraren i dragbilen ser hastigheten under mätningen och kan anpassa den till den önskade hastigheten. Även temperaturen registreras vid mätning, vilket gör att det går att göra korrigeringar för temperatur i efterhand Sammanfattning av krav enligt ISO Det finns tre källor till oönskade bidrag till ljudöverföring från däck till mikrofonen vid mätning fritt i fält: Bakgrundsljud relaterat till, som källor till vindbrus och ljud från dragfordonet. Bakgrundsljud från orelaterade källor som passerande fordon och reflektioner mot objekt vid vägkanten. Bidrag från oönskade reflektioner mot delar av systemet, såsom otillräckligt absorberande kapslingar och delar av dämningssystem. Effekten av oönskade reflektioner får inte vara större än 3,0 db, vid alla tredjedels oktavband från 315 Hz till Hz. Det oönskade bruset i hela testfordonet får inte påverka med mer än 1,0 db i 500 Hz till Hz frekvensområde och mer än 2,0 db i frekvensområdet 315 Hz till 400 Hz. Eftersom det är osannolikt att alla frekvensband påverkas av 1 db samtidigt kan detta krav antas vara ungefär likställt med att åtminstone 10 db signal/brusförhållandet i totala A-vägda nivåer. Vid utformningen av ett provfordon bör man ta hänsyn till att det ska finnas ett lämpligt avstånd mellan mikrofoner och reflekterande ytor, inklusive ljuddämpande material. Detta avstånd rekommenderas att vara minst 0,2 m. Dessutom bör det horisontella avståndet till en oböjd del av däckets skuldra vara 0,20 m ± 0,01 m samt höjden över vägytan bör vara 0,10 m ± 0,01 m. VTI PM 23

24 Cambervinkeln av testdäcket ska inte vara mer än 1,5 grader och statisk toe-in 12 inte mer än ± 1 grader. Ett fordon som konstrueras för att mäta i båda hjulspåren samtidigt bör ha ett avstånd mellan testdäcken höger och vänster (mellan slitbanecentrum) som är mellan 1,5 m och 1,9 m. Vidare rekommenderas det att ett avstånd på minst 3 m hålls mellan dragfordonets däck och mikrofonerna för att minska risken att dragfordonet bidrar till ljudmätningen. Den risken kan också reduceras genom att en lägga till en bullerskärm baktill på dragfordonet eller lägga till en inneslutning runt testdäck och mikrofoner. Stötdämpningen av släpvagnen bör utformas på ett sådant sätt att den har en fjäderkonstant och dämpningskoefficient som liknar det som finns på en bil. Störande händelser i CPX-mätningen kan orsakas av passerande eller mötande fordon, särskilt motorcyklar, tunga lastbilar eller lätta fordon som färdas med mycket höga hastigheter. För de CPXmätvagnar som inte är täckta kan störningar även komma från vindbyar från andra fordon och från den omgivande vinden. Andra störningar kan komma från entreprenadmaskiner på eller nära vägen, märkning av övergångsställen, reflektioner mot föremål i närheten av vägen, fogarna mellan betongplattor, skador på vägen eller förändringar i vägytan. Dessa källor kan identifieras och flaggas. En extra mikrofon kan läggas till för att identifiera potentiell påverkan från externa ljuskällor. Den bör placeras på ett lämpligt sätt och med syftet att övervaka brus som inte kommer från testdäck. När ljudnivån i denna mikrofon är högre än 6 db under ljudnivån i mikrofonerna vid testdäcket, bör mätningen på det vägsegmentet kasseras. 12 Däcken är snedställda/riktade inåt i förhållande till körriktningen. 24 VTI PM

25 4. Partiklar Partiklar är enligt Naturvårdsverket (2014) den luftförorening i tätorter som medför störst hälsoproblem och källorna till partiklar i luften är många. Med syfte att skydda människors hälsa och miljön i stort antogs Luftkvalitetsdirektivet år 2008 (EU 2008). Direktivet anger att gräns- eller målvärden för luftkvalitet ska införas och det ställs krav på övervakning och rapportering. Luftkvalitetsdirektivet omfattar ett antal olika luftföroreningar, varav partiklar (PM 2,5 och PM 10) är en del. De krav som gäller i Sverige finns i Naturvårdsverkets föreskrift, NFS 2013:11 (Naturvårdsverket 2013), och har bland annat införts som miljökvalitetsnormer för utomhusluft med stöd av Miljöbalken. Naturvårdsverket har även gett ut Luftguiden som är en handbok om dessa miljökvalitetsnormer (Naturvårdsverket 2014). Sveriges luft är bra sett i ett internationellt perspektiv då nivåer av luftföroreningar är lägre än i många andra länder. Trots detta är luftföroreningar fortfarande ett hälsoproblem och i framförallt storstäderna förekommer ett flertal överskridanden varje år. Det är även i städerna haltminskningar har störst samhällsekonomisk effekt i och med att fler utsätts för luftföroreningarna där (Naturvårdsverket 2014; Gustafsson m.fl. 2015). För att motverka höga partikelhalter har många städer och kommuner vidtagit åtgärder och generellt har partikelhalterna gått ner och överskridandena blivit färre. Det beror sannolikt i viss mån på vidtagna åtgärder, men skillnader i meteorologi mellan olika år påverkar också partikelhalterna. Vägtrafiken ger upphov till en hel del partiklar. Avgaser, slitagepartiklar och uppvirvling av vägdamm är de största källorna. Då fokus i denna sammanställning ligger på partiklar relaterade till kontakten mellan däck och vägyta är det slitagepartiklar och uppvirvling av vägdamm som är av intresse att kunna mäta. Vägdammet i sig består av partiklar som deponerats på vägen, såsom partiklar från avgaser och slitage från vägtrafiken samt föroreningar som transporteras med och faller av fordonen, till exempel byggdamm, vägmaterial från obundna ytor och skräp, och det som blåser till vägen såsom sand och växtdelar. I Sverige är slitage av vägen på grund av dubbdäcken en viktig källa till vägdamm. För att kunna minska mängden vägdamm i omgivningsluften krävs en förståelse både för uppbyggnad av vägdammsförrådet på vägen och för hur detta vägdamm virvlar upp i luften och bildar en luftförorening Mätmetoder och standarder Den europastandard som används i Sverige för att mäta luftkvalitet (Naturvårdsverket 2013) baseras på stationär mätning och är inte tillämplig i detta fall där vi eftersöker en metod för mätning under körning. Mätningar av uppvirvlat vägdamm sker inte standardiserat, och endast ett fåtal mätfordon för ändamålet finns rapporterade. Därmed finns det fortfarande stora utvecklingsmöjligheter avseende en effektiv insamling av dessa partiklar Partikelmätning För att mäta partikelhalter i stadsmiljö och tätort används generellt tre typer av mätinstrument: Direktvisande Aktiva insamlare Beta-mätare De partikelhalter som regleras i dagens lagstiftning är, som tidigare nämnts, PM 10 och PM 2,5. PM 10 är masskoncentrationen av alla partiklar mindre än 10 µm medan PM 2,5 är masskoncentrationen av alla partiklar mindre än 2,5 µm (EU 2008). PM 2,5 ingår som en delmängd av PM 10. Mätningar av partiklar VTI PM 25

26 kan ske på ett flertal sätt, och de olika metoderna är lämpliga för olika partikeltyper och medelvärdestider. I luftkvalitetsarbetet används främst filtermetoder, där partiklar större än den fraktion som är intressant skiljs av från luftströmmen och resterande partiklarna samlas in på ett filter. Filtret vägs sedan för att bestämma hur mycket partiklar som samlats in. Denna metod kräver en relativt lång insamlingsperiod alternativt mycket höga halter av partiklar. En annan ofta använd metod är TEOM där partiklarna samlas på en typ av våg som bestämmer massan kontinuerligt och därför ger högre tidsupplösning än vanliga filtermetoder, men detta instrument är stort och känsligt för vibrationer och fukt vilket gör att metoden inte är tillämplig för den applikation vi undersöker. En mobil mätning underlättas om mätutrustningen är snabb och robust. Instrument som baseras på detektion med ljusspridning är både snabba och robusta och de flesta fordonsburna mätutrustningar använder just sådana. För att kunna jämföra resultaten från dessa utrustningar med vad lagstiftningen anger krävs kalibrering med den aktuella aerosolen, helst via filtermätningar. Denna kalibrering påverkas dock mycket om storleksfördelningen av vägdammet ändras, särskilt i de större storlekarna 1 10 µm i diameter. Partiklarna i det storleksintervallet utgör den dominerande delen av vägdammets massa (Langston m.fl. 2008). Kalibreringen påverkas också om de optiska egenskaperna hos partiklarna förändras, till exempel genom att andelen organiska ämnen eller sot i vägdammet ändras Halt- eller utsläppsmätning? Halterna av partiklar i luften varierar mycket beroende på var man mäter i förhållande till källan. Detta gör att det kan vara svårt att mäta en halt av partiklar och sedan, utan ett antal antaganden som är svåra att säkerställa, säga något om hur mycket partiklar som har emitterats till luften på grund av det passerande fordonet. Vid mätning av emissioner krävs kontroll över alla partiklar som emitteras från processen, eller full kontroll över hur stor andel av partiklarna som provtas i relation till mängden partiklar som släpps ut. Ett antal strategier som används, enskilt eller i kombination, för att lösa problemet är: 1. Släppa ut en inert gas som beskriver utspädningen 2. Tillse att man samlar in så stor andel av de emitterade partiklarna som möjligt 3. Hitta en mätpunkt som har en tydlig relation till emissionerna och noggrant se till att inte påverka flödena och relationen mellan emissioner och halter i den valda mätpunkten. Ett mätproblem som måste lösas vid partikelmätning på rörligt fordon är att partiklar bör mätas isokinetiskt, det vill säga flödet in i instrumentets munstycke bör ha samma hastighet och riktning som flödet runt munstycket. Anledningen till detta är att partiklarna inte alltid följer luftströmmen då partiklar har större tröghet än luftens molekyler. När luftflödet svänger av eller accelereras följer inte partiklarna med och det uppmätta förhållandet mellan partikelmassa och luftmängd skiljer sig då mot förhållandet i luften. Dessutom kommer partikelstorleksfördelningen att påverkas. För körande fordon varierar flödena runt munstyckena med fordonshastigheten på olika sätt beroende på var munstycket är placerat, och olika mätfordon har löst detta på olika sätt Mätning av vägdammsförrådet Ett alternativ till mätning i luften av uppvirvlingen är att relatera den till vägdammsförrådet, det vill säga hur mycket vägdamm det finns på vägen. Denna metod används i den standardiserade 26 VTI PM

27 amerikanska metoden för beräkning av vägdammsemissioner AP Emissioner från uppvirvling av damm, såväl från obundna som bundna ytor, kräver kunskap om materialet som virvlas upp tillsammans med en enkel emissionsmodell. På en obunden väg behöver ytskiktet provtas och dess storleksfördelning och fukthalt bestämmas. På en belagd väg behöver mängden damm på vägytan kvantifieras. För emissioner över längre tid används i AP-42 också en korrigering för antalet dagar eller timmar med nederbörd för att ta hänsyn till fuktig vägbana. Dessa relationer beskrivs i mer avancerade, fysikaliskt grundande modeller som är under utveckling (till exempel NORTRIP i Norman m.fl. 2016), där upptorkning efter regn hanteras i detalj. Storleken på vägdammsförrådet kan mätas direkt med metoder som dessvärre kräver att vägen stängs av under den tid mätningen pågår då risken för trafikolyckor vid mätning är uppenbar (Langston m.fl. 2008). AP-42 är en sådan metod och innebär att man först sopar och sedan dammsuger hela vägbredden och, efter siktning som samplar upp de minsta partiklarna (silt <75 µm diameter, siktade med enligt AP-42s standard), väger det uppsamlade dammet och relaterarar det till den yta som har provtagits. På belagda vägytor baseras de flesta metoderna på någon form av dammsugning (till exempel Amato m.fl. 2009) alternativt någon form av uppsamling av vägdammet med hjälp av vattenburna metoder. Dammsugning används både med vanlig dammsugning (vakuum) och genom att virvla upp dammet på ett standardiserat sätt och sedan göra en provtagning i luften ovanför uppvirvlingen. Exempel på uppvirvlingsmätare, där operatören har en begränsad påverkan på resultatet, är till exempel PI- SWERL (Etyemezian m.fl. 2007). Den har fått en efterföljare som just nu utvecklas på VTI och kallas DUSTER II (Blomqvist m.fl. 2012). Den provtagare som främst används på VTI är WDS (Wet Dust Sampler) (Jonsson m.fl. 2008). Den har konstruerats för att provta hela dammängden på en yta genom standardiserad tvättning med destillerat vatten under högt tryck. Mängden damm som samlas in per ytenhet kan möjligen skilja sig från den mängd som egentligen är tillgänglig för uppvirvling i och med att metoden kan tränga längre ner i asfalten och lösa upp cementerat damm som inte löses av luftströmmar (Jonsson m.fl. 2008, Gustafsson m.fl. 2009). Däremot påverkas resultatet inte av vägfukt, som i sig är komplicerat att mäta, och är heller inte lika operatörsberoende som dammsugningen ofta kan vara. Dessa metoder kräver avstängning av väg för att kunna användas och diskuteras därför inte närmare då fokus är mätvagnstekniker. Utrustning som baseras på metoder med insamling av vägdamm kan dock komma att användas vid kalibrering och vid andra jämförelser. Hur stort vägdammsförrådet är påverkas av hur mycket makrotextur vägytan har, i och med att hålrum i ytan ger möjlighet för vägdamm att ansamlas (Gustafsson m.fl. 2012). Huruvida ytan är skadad påverkar också vägdammsförrådet, och i förlängningen uppvirvlingsemissionerna. Makrotexturen mäts normalt med laser monterade på ett körande fordon (RST 14 -Road Surface Tester) Fordonsburna mätmetoder På grund av fördelen att kunna täcka stora vägnät med mätningar av direkt uppvirvling samt att vägdammförrådsmätningen, som beskrivs ovan, är mycket arbetsintensiv och ökar risken för trafikolyckor studeras möjligheten att byta till en ny referensmetod i USA baserad på mobila mätningar av vägdammsemissioner. I USA finns idag en rekommendation av en mätmetod för att 13 AP 42, Fifth Edition Compilation of Air Pollutant Emission Factors, Volume 1: Stationary Point and Area Sources, ( ) 14 VTI PM 27

28 kunna genomföra vägdammsmätning under körning på allmän väg (Cowherd 2009a) och beräkna emissioner från uppvirvling av fordon. Denna rekommendation ingår i AP-42 och baseras i stort på experimenten med olika mätbilar. Inom området vägdammspartiklar har mätningar av emissioner genomförts med ett fåtal specialutrustade bilar. Det finns två olika typer av mätfordon för vägdammspartiklar i bruk idag: mätning nära hjulet och mätning i vaken bakom fordonet. Dessa fokuserar på något olika mätparametrar och det som inkluderas i mätningarna skiljer sig åt. Exempelvis inkluderar mätningen bakom fordonet också uppvirvlingen på grund av turbulensen under bilen och inte bara slitagepartiklar som uppstår vid direkt interaktion vägbana/däck. Tekniken från de olika mätbilarna kan utnyttjas i mätvagnsmiljön. I detta fall är det viktigt att hantera olika former av så kallad isokinetisk insamling och hantering av hur stora luftmängder som passerar, vilket gör att kunskapen från tidigare mätbilar är betydelsefull Mätfordon som mäter i vaken bakom fordonet Avseende mätningar i turbulensen bakom fordon kan nämnas SCAMPER (System of Continous Aerosol Monitoring of Particulate Emissions from Roadways) där mätutrustningen sitter på en vagn som dras efter fordonet (Fitz m.fl. 2005; Mathissen m.fl. 2012), se Figur 11. Denna variant har använts på byggarbetsplatser, bakom olika fordon, och är inte knuten till en viss fordonstyp. Sannolikt måste den dock kalibreras för varje dragbil. Figur 11. En version av SCAMPER-tekniken som används för mätning av partiklar i vaken bakom fordonet (bild från Mathissen m.fl. 2012). Metoden baseras på antagandet att bakom ett fordon finns en turbulent zon, en vak, där luften anses helt omblandad och alltså har samma koncentration av föroreningar. SCAMPER är ett av de första mätfordonen som utnyttjar denna princip (Fitz m.fl. 2005). SCAMPER utrustades med ett aktivt munstycke som tillåter isokinetisk provtagning genom att mäta trycket (flödet) in till mätinstrumentet och styra de extrapumpar som späder provluften, se Figur VTI PM

29 Figur 12. Schematiskt diagram av aktiv hantering av isokinetisk sampling (figur från Fitz m.fl. 2005). Genom att använda spårgas och genomföra vindtunnelförsök (Grundmann m.fl. 2001) och lokala flödesmätningar visades var munstyckena för provtagningen skulle placeras för att få mest stabilitet i insamlingen (Mathissen m.fl. 2012). Problemet med att uppnå isokinetisk sampling hanterades genom att designa speciella munstycken, se Figur 13. Spårämnesförsöken med en spårgaskälla vid varje hjul visade att halterna kunde räknas om till emissionsfaktorer. De 22 mätpunkterna för spårgas placerades på fem höjder mellan 22 och 235 cm från marken och 4, 85, 130 respektive 195 cm från centrumlinjen, samt två extra punkter på 45 cm höjd. Vaken studerades i 30 km/h och 100 km/h med 1,8 meter till trailern. Mätningarna visar att vid centrumlinjen mellan dragbil och trailer är den lokala vindhastigheten relativt låg och Mathissen m.fl. (2012) bedömde att korrektion för isokinetisk provtagning inte behövdes för DustTrak och hastigheter under 100 km/h. Mätningar med Mathissens trailer genomfördes endast vid låga vindhastigheter för att undvika problem med ickesymmetrisk vak bakom bilen (Mathissens m.fl. 2012). Mathissen m.fl. (2012) såg också att nära källan är halterna högre, men varierar samtidigt mycket för små ändringar i tid och i läge för insamlingsmunstyckena. Längre bort från källan är både haltvariationen mindre och halterna lägre. Detta måste vägas samman vid val av mätposition. Det var också lägre turbulens på lägre höjd från marken. Å andra sidan påverkades halterna som mättes på låg höjd mycket mer av fordonshastigheten. Därför mättes halterna på högre höjd. Då mätfordonet testats främst på grusväg kan dessa antaganden behöva testas igen på belagd väg för att kunna utnyttjas helt. Figur 13. Schematiskt diagram över ett insug (id front) för representativ provtagning av aerosol i ett luftflöde (Mathissen m.fl. 2012). VTI PM 29

30 Detta angreppssätt med mätning bakom ett fordon kommer sannolikt inte att användas i mätvagnsprojektet i och med att fokus är uppvirvlingen av mäthjulet i mätvagnen och inte av dragfordonet. Den planerade mätvagnen har också fokus på belagd väg vilket ger mindre dammängder än på grusvägar, och således kräver mer kvalificerade mätningar Mätfordon som mäter nära hjulet De partiklar som ska provtas emitteras i gränsskiktet mellan däck och vägbana, och kommer att utgöra en plym. Nära källan, det vill säga alldeles intill hjulet, kommer halterna att variera beroende på var i relation till väg och däck insamlingen sker. De varierade koncentrationerna har tidigare studerats genom att små munstycken har placerats i olika lägen i förhållande till väg och däck (Pirjola m.fl., 2009). Ett flertal detaljerade studier har genomförts för att beskriva effektiviteten att provta nära hjulet på körande fordon i syfte att få fram emissionsfaktorer i gram per km. Exempel på mätfordon som mäter nära och bakom hjulet är TRAKER (Testing Re-entrained Aerosol Kinetic Emissions from Roads) (Etyemezian m.fl. 2006). I Sverige finns mätfordonet EMMA (Hussein m.fl. 2008) som bygger på TRAKER och i Finland finns SNIFFER (Pirjola m.fl. 2004) och Vectra (Pirjola, personlig kommentar, 2017). De flesta mäter också halterna framför bilen för att kunna jämföra med en bakgrundshalt. Samtliga mäter på specialutrustade mätfordon, och är fordonsspecifik. TRAKER är en av de första mätbilarna som mätte vägdamm nära hjulet. Här finns ett munstycke som tar in luft i främre kofångaren för att få en bakgrundsmätning, samt ett munstycke vid varje framhjul (Kuhns m.fl. 2001), se Figur 14. Skillnaden i halt mellan bakgrundsmätningen och hjulhuset är den signal som analyseras. Signalen har kalibrerats mot mätningar i lovart och lä om en vägsträcka där emissionsfaktorer har mätts traditionellt med insamling av partiklar på luftfilter. Dessa har sedan jämförts med mätningar med TRAKER som passerat mätstationen flera gånger. Först gjordes ett antal kalibreringar vid grusväg (Etyemezian m.fl. 2003a) och sedan en enstaka mätning på belagd väg (Etyemezian m.fl. 2005). Dessa visade stor skillnad i kalibreringen. Koncentrationen av partiklar vid hjulet beror starkt av fordonshastigheten (Kunhs m.fl. 2001), och partikelstorleken ökar något vid högre hastigheter. TRAKER-signalen relateras till emissionsfaktorn som tredjeroten ut signalen gånger en kalibreringsfaktor, vilken är mycket olika mellan grusväg och belagd väg. Kalibreringsfaktorn skiljer sig också mellan olika mätplatser och årstider (Etyemezian m.fl. 2003b). Mätningar av luftflödet kring centrumlinjen av hjulet har genomförts och påverkas inte mycket av omgivningsvinden på avstånd mindre än 10 cm från hjulet. Samtidigt menar man att om fordonshastigheten är lägre än 5 m/s kan omgivningsvinden ge instabilt flöde mellan hjulet och munstycket (Etyemezian m.fl. 2003a). Detta leder till att för TRAKER sorteras data bort om fordonshastigheten är mindre än 5 m/s (1,5 m/s för grusväg), om acceleration eller inbromsning är mer än 0,5 m/s 2 samt om hjulvinkeln är större än 3 grader. 30 VTI PM

31 Figur 14. TRAKER med en DustTrak på huven och en i fordonet (foto från Kuhns m.fl. 2001). Figur 15. TRAKER:s lösning på problemet med isokinetisk sampling (bild från Etyemezian m.fl. 2003a). VTI PM 31

32 SNIFFER är en Volkswagen LT 35 diesel van med ett stor och koniskt munstycke (Figur 16a) som försöker fånga in så stor del av de uppvirvlade partiklarna som möjligt. I Finland används även Vectra, med ett litet munstycke (Figur 16b), men där har inte mätningarna ännu publicerats. Under konstruktionen av det stora munstycket i SNIFFER har man mätt halter i flera lägen i förhållande till hjulet (vänster bakhjul) med ett litet munstycke, vilket visas i Figur 17. De små munstyckena placerades på 5 cm avstånd från hjulet och en mätpunkt i taget användes (Pirjola m.fl. 2009). Mätningarna genomfördes i 40 respektive 80 km/h samt för tre olika däcktyper. Haltmätningar bakom ett hjul med olika avstånd till mittlinje och vägbana enligt Figur 17a ger en bild av två plymer, en nedre och en övre då normaliserade halter (mörkröd är högsta halten) av PM 10, vilket framgår av Figur 17b, där storleken på munstycket är inritad som en streckad linje. I likhet med TRAKER så gäller det för SNIFFER att endast de data används där hjulvinkeln är mindre än 3 grader. Med mätningarna visade Pirjola m.fl. (2009) att det finns två olika plymer, där båda har högst koncentrationer i centrumlinjen. Vid de högre hastigheterna är den övre plymen mindre framträdande än i lägre hastighet. Vid 40 km/h och med dubbdäck visas att den övre plymen främst innehåller grova partiklar (4 till 10 µm), medan den nedre innehåller partiklar av alla storlekar (1 10 µm). För odubbade däck är den nedre plymen mest framträdande för låga hastigheter. Plymen närmast vägen är problematisk i och med att det är svårt att med bibehållen trafiksäkerhet mäta intill vägbanan då bilen körs. I Figur 17b har munstycket placerats 2 cm ovanför vägbanan, och mätningen indikerar att dubben ger ett extra tillskott till partiklar. Figur 16 a) SNIFFER har ett trattformat munstycke (bild från Pirjola m.fl. 2009), medan b) Vectran har ett litet munstycke (foto: Sara Janhäll) 32 VTI PM

33 a) b) Figur 17 SNIFFER. Haltmätning av PM 10 bakom ett framhjul med olika avstånd till mittlinje och vägbana (bilder från Pirjola m.fl. 2009) Kalibrering av mätfordon I och med att emissionsfaktorer som mäts med mätfordon påverkas av många olika aspekter hos fordonet, rekommenderar AP-42, och den forskning som ligger bakom rekommendationerna, att varje fordon ska kalibreras mot mätningar i lovart och lä om den väg där mätfordonet testas. Mätningarna för kalibrering sker på en väg där tidigare insamlat vägdamm från andra platser har spritts ut. Mätintervallet är varje sekund, vilket är vanligt även i de övriga studier som har sammanfattats här (Cowherd 2009a). Uppvirvlingen är mycket stor och avtagande vid de första nio passagerna efter utspridningen av vägdamm för att sedan stabiliseras till ett värde. Denna utveckling antar Cowherd (2009b) beror på att det utspridda vägdammet inte ligger nere i beläggningens hålrum som vägdamm ofta gör, utan är lätt tillgängligt för uppvirvling av fordonsrörelserna. Cowherd presenterar också en beskrivning av hur vägdammsförrådet minskar med olika hastighet beroende på om vägdammet ligger nere i beläggningen eller ovanpå asfaltsytan. De mobila mätmetoderna som Cowherd (2009a och 2009b) refererarar till är TRAKER och SCAMPER, vilka han rekommenderar framför den gamla AP-42-metoden för att samla in vägdamm. Mätningarna beskrivs mycket detaljerat i Langston m.fl. (2008). Här finns också en beskrivning av skillnaden mellan TRAKER I och en vidareutvecklad TRAKER II Att tänka på vid mätning av slitagepartiklar Under mätning av slitagepartiklar med mätvagn är det viktigt att ha kontroll på hjulets axellast, vilken däcktyp det är och hur hjulet är riktat i förhållande till insuget för partikelmätning. Mätningen bör ske i ett definierat spår, såsom i hjulspåret. Det vore mycket effektivt att ge forskaren möjlighet att välja i vilket tvärläge över vägbanan mätningen ska ske, för att underlätta mätning av den uppvirvling som sker av de fordon vars hjul inte håller sig i hjulspåren. Om studien avser hjulspår kan uppvirvlingen vara begränsad för varje fordon och om dragfordonet eller något hjul hos mätvagnen kör i vägkanten kommer bakgrundshalterna att vara höga och damm från vägrenen kommer att förorena mätningen. Var insuget för bakgrundsmätningen ska placeras för en mätvagn är heller inte fastställt. Vidare ska avgaserna från dragbilen riktas bort så att de inte heller kan störa mätningen. Andra faktorer som man behöver ha kunskap om är läget på inloppet för att fånga upp partiklar, bakgrundspartikelhalt, vägfukt, fordonets hastighet och acceleration, vägens kurvatur och gradienter, vägytans egenskaper som textur och ojämnhet. Mätutrustningen behöver också kalibreras innan mätning eftersom partikelstorlekar kan uppföra sig på olika sätt när tex luftens riktning och hastighet förändras. VTI PM 33