автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Расчетные методы определения массовых выбросов вредных веществ по расходу топлива автомобилей с бензиновыми двигателями в эксплуатационных условиях

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 656.13 . 628.5

ЕВТУХОВ Александр Владимирович

РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВЫХ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПО РАСХОДУ ТОПЛИВА АВТОМОБИЛЕЙ С БЕНЗИНОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного

транспорта

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор техн. наук, профессор И.М. Головных

Иркутск 1999

-2-

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ....... 9

1.1. Исходные предпосылки изучения процессов взаимодействия автотранспортных средств с окружающей средой................................ 9

1.2. Необходимость моделирования при определении экологических и экономических показателей автотранспортных средств........................ 15

1.3. Методы установления взаимосвязей между экологическими и экономическими показателями автомобилей...................................... 27

1.4. Цель и задачи исследования...................................................... 34

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И

ПОИСКА ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МЕЖДУ ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ И ЭКОНОМИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ДВИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ................................................. 38

2.1. Структура системы «Водитель - Автомобиль - Дорога -Окружающая Среда» при исследовании экономических и экологических показателей движения.................................................................. 38

2.2. Комплексная математическая модель расчета расхода топлива и выбросов вредных веществ............................................................ 43

2.2.1. Математическое моделирование движения автомобиля с карбюраторным двигателем по дорогам с переменным дорожным профилем по прямым в плане......................................................... 43

2.2.2. Моделирование движения автомобиля при буксовании ведущих

колес........................................................................................ 57

2.2.3. Определение дополнительного сопротивления при движении по кривым в плане........................................................................... 60

2.2.4. Особенности моделирования расхода топлива и выбросов вредных веществ бензиновых двигателей с впрыском топлива........................... 64

2.2.5. Моделирование движения автомобиля с прицепом....................... 68

2.3. Формирование методов определения взаимосвязей между экологическими и экономическими показателями движения АТС в эксплуатационных условиях.......................................................... 70

2.4. Теоретический поиск взаимозависимостей между выбросами вредных веществ и расходом топлива применительно к расчетам исследовательского типа............................................................... 73

2.4.1. Свободный и принудительный холостой ход.............................. 73

2.4.2. Установившееся движение............................................... ..... 77

2.4.3. Движение на неустановившихся режимах.................................. 86

2.5. Теоретический поиск взаимозависимостей между выбросами вредных веществ и расходом топлива применительно к расчетам инженерного типа........................................................................ 90

2.6. Теоретический поиск взаимозависимостей между выбросами вредных веществ и расходом топлива применительно к расчетам оценочного типа.......................................................................... 95

2.7. Особенности расчета выбросов вредных веществ по

израсходованному автомобилем топливу.......................................... 98

2.8. Выводы............................................................................... 100

ГЛАВА 3. ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................................... 102

3.1. Комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры для проведения экспериментальных исследований на карбюраторных автомобилях.............................................................................. 102

3.2. Использование диагностического сканера Intelligent Tester Toyota при проведении экспериментальных исследований на автомобилях с электронным впрыском топлива..................................................... 114

3.3. Методика проведения экспериментальных исследований................ 121

3.3.1. Методика проверки адекватности полиномиальных зависимостей, описывающих расход топлива и выбросы вредных веществ................... 122

3.3.2. Методика проверки адекватности комплексной математической модели расхода топлива и выбросов вредных веществ......................... 126

3.3.3. Методика проверки адекватности уравнений взаимосвязи между выбросами вредных веществ и расходом топлива для расчетов

исследовательского, инженерного и оценочного типов......................... 127

3.4. Выводы............................................................................... 129

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ 130 ПОЛОЖЕНИЙ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ......

4.1. Проверка адекватности математической модели определения экономических и экологических показателей движения АТС................. 130

4.1.1. Экспериментальная оценка соответствия эксплуатационных параметров двигателей заводским характеристикам............................ 130

4.1.2. Проверка адекватности полиномиальных моделей определения

экономических и экологических показателей бензиновых двигателей...... 133

4Л .3. Оценка адекватности комплексной математической модели определения экономических и экологических показателей движения

АТС......................................................................................... 140

4.2. Проверка адекватности уравнений взаимосвязи между выбросами вредных веществ и расходом топлива............................................... 151

4.2.1. Расчеты исследовательского типа............................................ 151

4.2.2. Расчеты инженерного типа..................................................... 155

4.2.3. Расчеты оценочного типа....................................................... 158

4 .3. Области применения и оценка эффективности результатов

исследований............................................................................. 161

4.3 .1. Анализ возможностей и области применения математической

модели и уравнении взаимосвязи при оценке влияния различных факторов на расход топлива и выбросы вредных веществ бензиновых

АТС......................................................................................... 161

4.3.2. Оценка эффективности результатов исследований при проведении

природоохранных мероприятий...................................................... 168

4.4. Выводы............................................................................... 174

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................................ 175

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................ 177

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................... 190

-5-ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время тенденции развития транспорта таковы, что постоянно возрастающие требования к качеству перевозочного процесса и связанный с этим рост численности парков автотранспортных средств, интенсивности их использования, а также совершенствование транспортной инфраструктуры, увеличение протяженности дорожной сети входят в противоречие с необходимостью сохранения окружающей природной среды/37, 45, 99, 112/.

Парк автомобильных транспортных средств является основным источником негативного воздействия на окружающую среду в крупных городах /45, 112/. Это воздействие проявляется в виде загрязнения окружающей среды вредными веществами и отходами, истощения природных ресурсов, создания транспортного дискомфорта для населения, уничтожения генофонда биологических существ при реализации перевозочного процесса /5, 11, 37, 39/,

Задачи уменьшения вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду должны решаться комплексно: улучшаться конструкции новых двигателей внутреннего сгорания и их систем питания топливом, вестись разработки перспективных типов силовых установок для автотранспортных средств, осуществляться перевод автомобилей на газообразное топливо, применяться нейтрализаторы отработавших газов, а также улучшаться качество существующего автомобильного топлива с возможным применением антитоксических присадок/7, 37, 39, 80, 81, 112/.

Однако осуществление таких экологических мероприятий требует значительного времени. Наряду с новыми конструкциями автомобилей длительное время будут существовать старые их модификации. В связи с этим возникает необходимость снижения вредного воздействия автомобильного транспорта на уровне эксплуатационных возможностей. Это относится к созданию более четкой системы организации работ по поддержанию эксплуатационных и технических характеристик автомобильных энергоустановок, повышению уровня эксплуатации, хранения, обслуживания и ремонта автотранспортных средств применительно к современным требованиям по уменьшению вредного воздействия на окружающую среду /5, 35, 39/.

Для реализации данных экологических мероприятий необходимо комплексное изучение всех факторов, влияющих как на потребление топливных ресурсов, так и на снижение выбросов вредных веществ, а также на оба показателя одновременно /5, 9, 29, 34, 48 , 52, 95, 99, 109/.

Поиск возможностей одновременного снижения массовых выбросов вредных веществ и расхода топлива обуславливает необходимость детального изучения комплекса факторов, влияющих на экономические и экологические показатели движения АТС и отыскания взаимозависимостей между данными параметрами. Наличие таких зависимостей позволит наряду с повышением точности существенно упростить известные методы расчетного определения выбросов вредных веществ.

Количество вредных выбросов и соотношение между различными токсичными веществами в отработавших газах автомобилей в большой степени определяются режимами работы их двигателей в эксплуатационных условиях, то есть в условиях реального движения с реально существующими дорожными условиями и реально используемыми режимами движения /54, 55, 63, 96, 99/.

При комплексном исследовании влияния эксплуатационных факторов на расход топлива, количество вредных выбросов соотношения между различными токсичными веществами в отработавших газах автомобилей, а также при рассмотрении взаимосвязей между данными показателями наиболее целесообразен подход с точки зрения движения единичного транспортного средства, что позволяет более точно и адекватно решать поставленную задачу /39, 99, 112, 151/. Решение поставленной задачи по данному направлению позволяет также оценивать экономические и экологические показатели автомобильных двигателей применительно к группам автотранспортных средств как элементов транспортного потока.

Таким образом, исследование процессов изменения массовых выбросов вредных веществ в функции от расхода топлива автомобилей с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания (ДОС) является актуальной задачей.

Целью настоящего исследования является снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов автомобилей с бензиновыми двигателями

внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях на основании совершенствования методов расчетного определения массовых выбросов вредных веществ.

Объект исследований - процесс изменения массовых выбросов вредных веществ в функции от расхода топлива бензиновых двигателей автотранспортных средств в эксплуатационных условиях.

Предмет исследований - характер изменения массовых выбросов вредных веществ в зависимости от значений расхода топлива автомобилей с карбюраторными системами питания и системами электронного впрыска топлива.

Научная новизна заключается в установлении закономерностей изменения токсических показателей движения автомобиля с бензиновым двигателем в вариантах с карбюраторной системой питания и системой компьютерного управления автомобильным двигателем с каналом обратной связи по сигналам датчика кислорода и нейтрализатором отработавших газов в функции от значений расхода топлива. Разработана математическая модель определения экономических и экологических показателей движения автомобилей с карбюраторными двигателями и двигателями с впрыском легкого топлива (бензина). Разработаны методики определения массовых выбросов вредных веществ по израсходованному автомобилем топливу для исследовательских, инженерных и оценочных расчетов. Оценена эффективность использования методов расчетного определения массовых выбросов вредных веществ при регулировании дорожного движения с точки зрения улучшения экономических и экологических показателей движения автотранспортных средств с бензиновыми двигателями.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные и апробированные методики определения выбросов вредных веществ по израсходованному автомобилями топливу для оценочных, инженерных и исследовательских расчетов могут использоваться на практике при регулировании дорожного движения с точки зрения снижения вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду, а также при проектировании и строительстве автомобильных магистралей, дорог общего пользования и жилых районов. Результаты исследований могут быть использованы при создании нормативных документов определения весовых выбросов вредных веществ как пока-

зателя экологической безопасности автотранспортных средств с бензиновыми двигателями.

Реализация работы. Работа выполнялась на кафедре «Автомобильный транспорт» Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ) в период с 1995 по 1998 гг. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и эксплуатационных условиях на кафедре «Автомобильный транспорт» ИрГТУ и в фирме «Тойота-Центр-Иркутск».

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях ИрГТУ (1995 - 1998 гг.), научно-практической конференции Иркутской государственной сельскохозяйственной академии (1998 г.), Международной научно-практической конференции «Человек-среда-вселенная» г. Иркутск 1997 г., Третьей всероссийской научно-практической конференции «Безопасность - 98» г. Иркутск 1998 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; содержит 240 страниц машинописного текста, 23 таблицы, 53 рисунка, 3 приложения.

ГЛАВА U СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Исходные предпосылки изучения процессов взаимодействия автотранспортных средств с окружающей средой

Автомобильные транспортные средства взаимодействуют с окружающей средой посредством обмена потоками энергии и веществ. Преобразование химической энергии топлива в механическую работу, осуществляемое в результате процессов приготовления топливо-воздушной смеси определенного состава, воспламенения, горения в камерах сгорания двигателей, сопровождается энергетическими потерями, а также образованием токсичных и вредных веществ, являющихся основными источниками загрязнений окружающей среды в крупных городах и на дорогах с интенсивным движением. /45, 112/. В существующих конструкциях автомобилей источником загрязнений являются также кар-терные газы и топливные испарения.

Наряду с нетоксичными компонентами (азотом N, кислородом 02, водородом Н, водяными парами Н20) отработавшие газы автомобильных двигателей содержат вещества, вредно действующие на окружающую среду и человека. К ним относятся: оксид углерода СО, углеводороды СтН„, оксиды азота NOx, диоксид углерода С02, альдегиды, диоксид серы, сажа, канцерогенные вещества (бенз-а-пирен) /37, 45, 49, 52, 56, 78, 88, 99, 112, 149/.

Исходя из концентрации вредных компонентов в отработавших газах бензиновых двигателей и степени их токсичности, основными вредными веществами, выброс которых нормируется во многих странах мира, являются оксид углерода СО, углеводороды CmHm оксиды азота NOx /13, 37, 43, 49, 52, 71, 72, 78, 86, 88, 112, 135, 150/.

Анализ литературы /5, 9, 23, 33, 52, 77, 78, 88/ показал, что отдельные аспекты механизмов и закономерностей экзотермического окисления в автомобильных двигателях совокупности индивидуальных углеводородов и образования токсичных компонентов в отработавших газах у ргишых авторов трактуются по разному и существуют, в основном, на уровне качественного описания.

Рассмотрим факторы, определяющие выброс основных вредных веществ двигателями внутреннего сгорания с точки зрения возможного воздействия на них в эксплуатационных условиях для снижения токсичности отработавших газов.

Оксид углерода. Основной фактор, определяющий содержание оксида углерода в отработавших газах бензиновых двигателей - состав топливно-воздушной смеси. Обогащение смеси при неустановившихся режимах работы и при работе с полной нагрузкой резко увеличивает выбросы оксида углерода. Повышенный выброс оксида углерода вызывает любая неисправность системы питания топливом, приводящая к обогащению смеси /37, 38, 52, 78, 88, 126/.

Считается, что основная доля образовавшегося в камере сгорания СО окисляется до СОг не выходя за пределы камеры /52/. Окисление обладающего токсичным действием СО в СО2 происходит и в выпускной трубе. Инициировать данный процесс, причем с максимальной эффективностью, призваны н