автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии экологического контроля тепловозных дизелей при проведении реостатных испытаний

На правах рукописи

ТАРУТА Мария Викторовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РЕОСТАТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ЛЕН 2003

ОМСК 2009

003488956

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор СКОВОРОДНИКОВ Евгений Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НОСЫРЕВ Дмитрий Яковлевич;

кандидат технических наук, доцент МАКУШЕВ Юрий Петрович.

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ПГУПС»).

Защита диссертации состоится 29 декабря 2009 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)») по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 27 ноября 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01. Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

О. А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Решение экологических проблем становится одним из основных приоритетов развития России. Органы государственной власти предпринимают действия, направленные на ужесточение экологического контроля и повышение как административной, так и имущественной ответственности нарушителей природоохранного законодательства.

В этих условиях одним из направлений деятельности для ОАО «РЖД» является формирование и последующая реализация долгосрочного комплекса природоохранных мероприятий. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на железнодорожном транспорте являются следствием сжигания органических видов топлива стационарными и передвижными энергетическими установками. В частности, по передвижным энергетическим установкам объемы выбросов в 2007 г. распределились следующим образом: 211,9 тыс.т - маневровые и магистральные тепловозы; 65,3 тыс.т — автотранспортные средства, тракторы, самоходная дорожно-строительная техника и специальный подвижной состав. '

Экологические платежи на охрану окружающей среды в 2007 г. составили 272,2 млн р., из них за выбросы в атмосферу — 35,4 млн р.

Замена дизельного подвижного состава и реконструкция инфраструктуры железнодорожного транспорта, проводящиеся в рамках технического перевооружения ОАО «РЖД», обеспечивают снижение техногенного воздействия транспорта на окружающую среду.

Внедряемые по Программе ресурсосбережения технические средства и технологии позволили снизить в 2008 и 2009 гг. расход топлива в тяговой и стационарной энергетике на 5000 и 9000 т соответственно, и уменьшить выброс в атмосферу вредных веществ на 100 и 180 т.

В современных условиях экологическая стратегия ОАО «РЖД» задает следующие ориентиры и направления деятельности в области охраны окружающей среды: совершенствование системы экологического мониторинга; охрана атмосферного воздуха за счет сокращения выбросов стационарными и передвижными энергетическими источниками на 30 %.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с экологической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г., утвержденной 13 февраля 2009 г., и в соответствии с федеральной целевой программой «Модернизация транспортной системы России», утвержденной поста-

новлением Правительства РФ 5 декабря 2001 г., и программой госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры «Локомотивы» ОмГУПСа на 2009 г. «Совершенствование системы ремонта, повышение эффективности эксплуатации и снижение экологического воздействия на окружающую среду дизельного подвижного состава» ГБ 164 номер государственной регистрации 01.95.00 07235.

Цель диссертационной работы - совершенствование системы экологического контроля дизельных энергетических установок при реостатных испытаниях тепловозов.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи.

1. Выполнить анализ существующих экспериментальных и аналитических методов контроля экологических характеристик тепловозных дизелей в системе ОАО «РЖД», оценить эффективность работы пунктов экологического контроля (ПЭК) в условиях эксплуатации и возможность использования результатов контроля для оперативной оценки технического состояния тепловозов.

2. Разработать методику расчета параметров рабочего цикла двигателя с учетом режимов нагружения дизель-генераторной установки при выполнении реостатных испытаний и условий окружающей среды; построить уравнения регрессии, характеризующие изменение основных термодинамических параметров рабочего цикла при изменении режимов работы дизеля и параметров настройки, оценить значимость коэффициентов регрессии и адекватность принятых математических моделей.

3. Используя результаты теоретических исследований, усовершенствовать методику расчета продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя с целью адаптации ее к условиям реостатных испытаний и оперативной оценки качества настройки дизель-генераторной установки по расходу топлива и эффективности процесса сгорания.

4. Оценить влияние параметров рабочего цикла двигателя на количество вредных выбросов в отработавших газах тепловозных дизелей. Построить уравнения регрессии, связывающие количество вредных выбросов в отработавших газах с термодинамическими и экономическими параметрами дизель-генераторной установки, оценить значимость коэффициентов регрессии и адекватность принятых математических моделей.

5. Выполнить статистический анализ энергетических и экологических характеристик локомотивного парка депо, оценить величину отклонения средне-

эксплуатационных экологических параметров тепловозов от нормативных значений. Разработать базу данных, характеризующую изменение энергетических и экологических характеристик эксплуатируемого парка тепловозов в соответствии с уровнем их настройки при проведении реостатных испытаний и техническим состоянием локомотива, разработать программу ее обработки.

Методы исследования. При проведении исследований применялись методы численного решения систем уравнений, математической статистики и теории вероятностей, планирования эксперимента, оценки значимости коэффициентов регрессии и адекватности математических моделей.

Обработка результатов экологических испытаний тепловозов выполнена в математических средах Excel и MathCAD. Программа расчета экономических, термодинамических и экологических характеристик дизельных двигателей выполнена в среде программирования Turbo Pascal 7.0.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработана методика оценки термодинамических параметров рабочего цикла дизеля по результатам реостатных испытаний, представляющая собой комбинацию методов Гриневецкого - Мазинга и И. И. Вибе, позволяющая учесть технологические параметры настройки топливоподающей аппаратуры и энергетические параметры дизель-генераторной установки тепловоза на контрольных позициях.

2. Предложены закон выгорания топлива в цилиндре двигателя для заданных условий настройки и методика определения параметров закона сгорания и текущих термодинамических характеристик рабочего цикла.

3. Используя условие химического равновесия получена математическая модель для расчета количества продуктов сгорания углеводородного топлива в цилиндре двигателя, представлена методика адаптации математической модели для условий реостатных испытаний с целью оперативного контроля качества протекания рабочего цикла двигателя.

4. Показана методика формирования и обработки базы данных для экологического мониторинга эксплуатируемого парка дизельного подвижного состава локомотивных депо компании ОАО «РЖД».

Положения, выносимые на защиту.

1. Математическое описание закона выгорания топлива в цилиндре дизельного двигателя для установленного угла опережения подачи топлива; методика выбора параметров закона по данным полноразмерных реостатных испы-

таний тепловозов или по результатам индицирования двигателя, или по результатам расчета термодинамических параметров рабочего тела в характерных точках цикла по методу Гриневецкого - Мазинга.

2. Метод равновесного состава и метод химического равновесия, для расчета продуктов сгорания топлива в цилиндре дизеля, использующий в качестве исходных данных элементарный состав топлива, теоретические значения количества продуктов сгорания для заданных параметров настройки и термодинамические параметры рабочего тела на стадии изобарического сгорания.

3. Методика адаптации к условиям реостатных испытаний математических моделей для расчета термодинамических параметров рабочего цикла количества вредных выбросов и парниковых газов в отработавших газах дизеля, оценка допустимой ошибки адаптации.

4. Форма представления результатов экологического контроля в базу данных и методика совместной обработки результатов сдаточных реостатных испытаний и результатов экологического контроля с целью контроля послере-монтных энергетических, экономических и экологических характеристик локомотива.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается результатами сравнения:

расчетных значений среднего эффективного давления рабочего цикла с экспериментальными значениями. Отклонения не превышают 2 %;

расчетного значения количества продуктов сгорания, рассчитанных по методу химического равновесия и по условию полного сгорания. Максимальное расхождение не превышает 8 %;

максимальных значений термодинамических параметров рабочего цикла, рассчитанных по математической модели с результатами полных реостатных испытаний, выполненных с использованием современных систем диагностирования. Расхождение не превышает 2 %;

количества оксидов азота, рассчитанных по математической модели для наиболее информативных режимов работы дизель-генераторной установки, и количества оксидов азота, замеренных при выполнении экологических испытаний. Расхождение не превышает 5%.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке методик, алгоритмов и программ, которые могут быть применены:

в локомотивных депо ОАО «РЖД» в системе диагностирования дизель-генераторных установок тепловозов для оценки экологических характеристик по результатам реостатных испытаний, прогнозирования технического состояния и определения остаточного ресурса дизеля;

в научно-исследовательских организациях, занимающихся вопросами проектирования и совершенствования конструкции транспортных двигателей, разработкой технических и технологических решений, направленных на улучшение технико-экономических и экологических характеристик дизелей серийных конструкций;

в транспортных вузах при изучении конструкции, термодинамических и динамических параметров рабочего цикла, технико-экономических и экологических характеристик транспортных двигателей внутреннего сгорания.

Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2007); всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2008); на V международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (Москва, 2008); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2008» (Ростов-на-Дону, 2008); на научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2009).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе одна - в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами, списка использованной литературы из 112 наименований, изложена на 167 страницах текста, содержит 44 таблицы и 26 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследования, выбраны пути их решения.

В первой главе выполнен анализ теоретических и эмпирических методов контроля экологических характеристик двигателей внутреннего сгорания. Ос-

новные положения по природе образования и теоретической оценке количества продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя представлены в работах ученых Р. М. Баширова, И. И. Габитова, В. В. Горбунова, Я. Б. Зельдовича, В. А. Звонова, В. А. Маркова, Н. Н. Патрахальцева, В. И. Смайлиса К. А. Морозова и др.

Приборные методы экологического мониторинга предназначены для контроля ограниченного числа вредных элементов в продуктах сгорания, что не позволяет с достаточной точностью контролировать техническое состояние двигателя, установить причины неисправности двигателя, приводящие к нарушению установленных экологических параметров.

Показано, что аналитические методы расчета количества продуктов сгорания и оценка уровня негативного воздействия двигателя на окружающую среду требуют разработки сложных математических моделей и методов, их алгоритмической и программной реализации.

Таким образом, анализ существующих методов и средств контроля экологической безопасности локомотивов позволяет сделать следующие выводы:

1) применение приборных методов контроля требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с затратами по строительству ПЭК, оснащением измерительной аппаратурой газового анализа обычно довольно высокой стоимости, восстановлением (или заменой) свойств контрольных датчиков и периодической аттестацией прибора, производимой разработчиками и изготовителями аппаратуры;

2) отсутствие термодинамических параметров рабочего цикла для заданного режима нагрузки дизеля не позволяет использовать результаты экологического контроля в качестве диагностических параметров для оценки технического состояния двигателя и наметить пути воздействия на системы дизеля с целью уменьшения количества вредных выбросов.

С учетом выше перечисленного были поставлены цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлена методика обработки данных мониторинга дизельного подвижного состава в системе ОАО «РЖД». Исходная информация представляется в табл. 1. Количество контрольных позиций в таблице может быть определено априори или выбрано непосредственно при проведении испытаний.

При обработке протоколов экологических испытаний тепловозов предусматривается определение по каждой контрольной позиции следующих параметров:

объемного состава продуктов сгорания, м3/ч:

м(об) =М(мас) /

пр.сг пр.сг / н пр.сг ' V1У

объемного состава оксидов азота, г/м3:

(экс)

»N0' =<0?

£/2,533; (2) -т^/2,533; (3)

количества углерода.(сажи) в продуктах сгорания, м3/ч:

-3 ,

,,(экс) (об) „.(экс)

= М • ГИ

С пр.сг 1

•10 7(-2,Ш(ЭКС)+259,367)];

количества двуокиси углерода, м /ч:

М^С) = 0,303(мс - 0,4288М^С) - М^"');

доли несгоревшего топлива:

^ = 1-м^/мС02,

(4)

(5)

(6)

где М^, М

со2 > ~ количество диоксида углерода, определенное по условиям

эксплуатации и полного сгорания.

Таблица 1

Форма протокола экологических испытаний

Протокол испытаний тепловоза серии №

Тип дизеля Номер дизеля

Дата изготовления Пробег после изготовления, км

Срок проведения капитального ремонта (КР) Пробег после КР, км (мес.;

Срок проведения ТР-3 Пробег после ТРЗ, км (мес.)

Вид ремонта Дата испытаний

Атмосферные условия: температура °С

давление Р„ кПа влажность <р„ %

Коэффициент атмосферных условий Р = Г1а+273Г-50 [ зоо ; 0,65

Коэффициент приведения дымности к нормальным условиям А = (-22,94 + 48,97Р - 25,(ОТ2)

Режим испытаний Результаты испытаний

позиция контроллера машиниста (ПКМ) мощность ДГУ, кВт частота вращения кол. вала, мин-1 N011, г/м3 СО, г/м1 СпНт, г/м1

1 1 1 1

ПК Ре п 2 2 2 2

3 3 3 3

ср. ср. ср. ср.

В общем случае методика обработки базы данных включает в себя следующие процедуры.

1. Первичную обработку и статистический анализ мощностных и экономических характеристик эксплуатируемого парка тепловозов депо.

2. Оценку изменения контролируемых параметров во времени.

3. Уточнение термодинамических параметров рабочего цикла дизеля с учетом доли несгоревшего топлива.

4. Сравнение результатов экологического контроля с теоретически возможными значениями количества вредных выбросов для заданных условий испытаний и параметров окружающей среды.

5. Определение причин отклонения мощности, экономичности и экологических параметров дизель-генераторной установки тепловоза от нормативных значений.

Результаты расчета (табл. 2) для каждого номера тепловоза заносятся в базу данных и являются основой для контроля технического состояния локомотива.

В третьей главе приведена математическая модель расчета экологических параметров тепловозных дизелей с учетом их экономических и мощностных характеристик.

Для количественного определения продуктов сгорания в работе использованы уравнения химического равновесия. Под условием химического равновесия понимается такое состояние процесса, когда скорость реакции в прямом и обратном направлениях одинакова. Тогда для количественного определения продуктов сгорания (02, С, СО, С02, СН4, N0, N02, N2, Н2, Н20, Б02 и т. д., всего 36 элементов) уравнения равновесия запишутся в виде:

1 = 0Д678С . 0~ 0,3356С + Н' (7)

2г,

РР =1,1082(0,21 + 0); (8)

ур = 0г0|9С. (9)

(10)

где Ор, рр, ур, Бр - значения коэффициентов равновесия для углеводородного дизельного топлива различного элементарного состава: С+Н+0+8=1.

Таблица 2

Результаты экологических испытаний тепловоза ЧМЭ 3

Наименование параметра Значение параметра для позиции контроллера машиниста

0 4 8

Мощность дизеля кВт 18 260 880

Расход топлива Ье, кг/(кВт-ч) 0,344 0,270 0,213

Доля мощности дизеля 0,020 0,295 1,000

Количество СО, Шсо, г/м3 0,094 0,205 0,885

Количество ИОх, т^ох, г/м3 0,414 3,588 1,871

Количество 80г, т502, г/м3 0 0 0

Дьшность продуктов сгорания N. % 3 6 18

Всего топлива Вч, кг/ч 6,052 70,324 187,615

Всего воздуха Мв, кг/ч 4846 4998 7875

Всего рабочего тела Мр.х, кг/ч 4852 5068 8063

Коэффициент избытка воздуха, а 55,917 4,963 2,931

Продукты полного сгорания

Всего продуктов сгорания кг/ч 5047 5231 8274

Плотность продуктов сгорания Рпр.сг„ кг/м3 1,298 1,307 1,314

Объем продуктов сгорания Упр.сг., м3/ч 3888 4001 6295

Катичгсшоднокадауглерода Мсо2 18,682 217,070 579,112

Количестводиокщдасеры М8о2 ,мУч 0,073 0,843 2,250

Количесшоводиькп^юв Мц о,та/ч 7,415 86,153 229,844

Количество кислорода Мо2, кг/ч 1303 1093 1421

Количество азота М^ , кг/ч 3718 3834 6042

Экспериментальные экологические характеристики

Количество оксида углерода М^о > кг/ч 0,365 0,820 5,571

Количество оксида азота Мко, кг/ч 0,635 5,668 4,650

Ксшчклводишсидаазо1а,М^02 0,974 8,689 7,128

Количество водяныхпаров МНг0 6,050 83,090 209,020

Количество водорода Мд2, кг/ч 0,151 0,340 2,311

Количество азота М^2 ,кг/ч 3256 3468 5864

Дьшность продуктов сгорания N. % 3 6 18

Доля несгоревшего топлива % 3,965 0,755 1,829

КЬшжлвосажи(сутасмдымносш) М^кЛ 0,046 0,097 0,511

Всего продуктов сгорания Мпр.сг., ьг'/ч 3281 3773 6653

Масса ¡-го продукта сгорания определяется по уравнению состояния газов:

= (П)

И КТ]

Учитывая, что для каждого j-ro момента сгорания и для каждого i-ro элемента величины Vj, Tj, R и (x¡ есть величины постоянные, массу соответствующих элементов можно выразить через парциальные давления. Тогда уравнения равновесия будут иметь вид:

а(Рсо2 + Рсо + рс + 2Рс2 + Рсн4 + Pcos + ?CN + ?CH + рсн2 + + Рснз + рнсо + Рн2со + 2рс2н + 2Рс2н2 + phcn + Pcs2) = = (0,1678С/(0,3356С + Н)) • (2Р0г + Р0 + ЗР0з + Р0Н + Рн20 + (12)

+ 2Рсо2 + Рсо + Рш + 2Pno2 + Pcos + Рнсо + Рн2со + + Pso+2Pso2 +3Pso3 +Ps2o);

+ 2PN2 + PN0 + PNq2 + PCN + РШз + PHCN + PNS )= = 2Po2 + P0 + ЗР0з + P0H + Ph2o + 2PCo2 + Peo + ?no + 2PNo2 + (13) + Pcos + Рнсо + Ph2CO + Pso + 2Pso2 + 3PSo3 + Ps20 >

УР(Рн +2PHz +POH +2PH2O +4PCH4 +PCH3 +2PCH2 +3PCH3 + + PHC0 + 2PH2CO + Pc2H + 2PC2H2 + 3Pnh3 + PHCN + PHS + 2PH2S) = (14) = Pc + 2PCz + Pc0 + PCo2 + PCH4 + Pcos + ?cn + ?ch + Рсн2 +

+ Рсн3 + Рнсо + Рн2со + 2PC2H + ^Рс2н2 + Phcn + Pcs2 > Sp(Pc +2Pc2 +Pco +Pco2 +Pch4 +Pcos3 +Pcn +Pch +Pch2 + + рсн3 + Рнсо + рн2со + 2Pc2H + 2Pc2H2 + PHCN + Pcs2 ) = Pcos + (15) + ps + 2PS2 + ps0 + PS02 + PS03 + 2PS20 + PHS + PH2S + PNS + 2Pc§2 .

Величины средних значений коэффициента избытка воздуха (а), температуры (Tj), давления сгорания (Pj), и среднего объема цилиндра (Vj) для каждого момента сгорания определяются в результате моделирования рабочего цикла дизеля по данным реостатных испытаний тепловозов.

В четвертой главе представлены методики формирования и обработки базы данных об экологическом состоянии эксплуатируемого парка депо (дороги).

Для формирования нормативных значений вредных выбросов локомотивов эксплуатируемого парка на базе разработанных математических моделей и методов планирования эксперимента получены теоретические зависимости изменения параметров выгорания топлива от режима работы тепловоза (см. табл. 2) и количества продуктов сгорания от параметров выгорания топлива (табл. 3). Адекватность выбранных моделей проверена по критерию Фишера.

Таблица 3

Уравнения регрессии, описывающие изменение параметров выгорания топлива в цилиндре дизеля в зависимости от режима работы тепловоза_

пкм Аналитические выражения Критерий Фишера

0 Рг = 3,701 + 0,0791чГе - 0,001п - 36,38-10"'\ 0,037

Т2 = 657+ 18,486Ые - 0,311п - 34,93-10"'%= 0,035

а = 28,069 - 2,902Ые + 0,078п - 36,38- 10-'2Ье 0,011

4 Р2 = 5,053 + 0,005Ме - 0,002п + 241,25-10'"Ье 0,119

Т2= 1222+ 1,733Ме- 1,153п-247,03-10"1иЬе 0,038

а = 3,105-0,01Ше + 0,008п-36,18-10""Ье 0,001

Р2 = 0,007МС + 0,005п - 178,77- 10"и-Ье - 1,648 0,205

Т2= 1662 + 0,522^-0,984п+ 114,40-10"'иЬе • 0,011

а = 0,765 - 0,002Ке + 0,005п - 223,4б-10"иЬс 0,009

Таблица 4 Уравнения регрессии, характеризующие изменение количества вредных выбросов в зависимости от условий сгораниятоплива для режима работы тепловоза

ПКМ Аналитические выражения Критерий Фишера

С=1,09-1 (Г16 -1,85-Ю"4^ -1§4-10~50Т2 +97,49-Ю"5^ 0,363

. 0 СО = 7,9 ■ 10"'° - 5,89 ■ 10"'1 Рг - 4 • 10'13а 0,001

N0 = 6,12 • 10"4 Рг +10,1 • 10"4 Т2 + 33,9 • 10"4 а - 0,73 0,054

Ж>2 =5,23-10"4Р2+1,79-10-4Т2-0,087 0,018

С = 2,01-10"27 -138-10":8Рг -8,97 -10~г9а 0,014

4 СО = 9,86-10^- 4,69 -10~5Рг- 3,06 -10"5а 0,004

N0 = 1,49а-3,42 • 10"4Рг -1,28 0,088

N0., = 1,64 ■ 10~2 Р2 + 3,91 ■ Ю"4^ + 8,29 ■ 10~2 а - 0,66 0,052

С = 1,90-Ю-22 -7,86-10"24Р2 -0Д7-10~22а 0,069

8 СО = 2,89-10"2 -1,32-10"3 Рг -2,94-10"3 а 0,019

N0 = 7,37 -10"2Т2 - 6,31 •10~4Р2. +11,07а -110,34 0,117

= 1,08 ■ 10"3 Т2 + 4,06 • 10"2 Рг -1,14 0,058

После оценки адекватности разработанной математической модели расчета экологических параметров тепловозных дизелей, учитывающей их техническое состояние и экономические характеристики, для повышения эффективности экологического контроля тепловозных дизелей при реостатных испытаниях была создана программа для аналитического определения вредных выбросов в отработанных газах тепловозных дизелей при проведении реостатных испытаний (рис. 1-4).

Изменвниб/просмзтрбазыданньи-Отчисгмть формц протокола

: Эагщзить базу данных

Се-мятеплшш |чМЗЭ >}'. ■, . Нпмертеплавоза [ЁЙЙ Пробегот ¡ТРЗ >] ¡~4~ ми

: : Виц ремонта |тР1 : . Дата испытания ГПТ.ММ.ЛЯ j2D03.D5.D9 Т[

-Примечание"

Просмотр р-данный ;

'гАтмосФернывусловия—' '' ...— . V. "..,; '., У, .." "' ' '.

Т.Оф. ср.."С 111 -..Дм.даалемиг/ммрш, ¡744,75 ■ Р | 03775 ;Д|ш14

Зависимость их (тг и числа оборотов от ПШ ПКМ

п,мин"-1

■качения вьфоа» на разлитых позиция» контроллера машнгста-

Сосгаа топлива', доли Р

0 2 4 Б В л:с, -1 г к | а

1000 10001 шо: юга юоо Ш 1 0.005 0.138 ! олп

17 120 \ 365 : Б25 I В70 ;:Бнвсгаданшвз -1 Исправить протокол ■ базу . | испытаний

350 450 I 515 ; ЕЕ5 | 750

-Испытание проввга-

Сеэастьянов Г.П.

Удалить протокол ■. испытаний

Выполнить расчет

Дымность N. 2 .

МОх.г/каб.м

СО.г/куб.м

" спнь. г/^йи г"

1 2 3 Ср. 1 | 2 3 Ср. 1 | 2 | 3 Си у 1 | 2 3 Ср.

0 3 3 3 3,0 0 0,401! 1403 0.404 1203 0,403 ■ ;0' 01174! 0,075! 0.076 0.075 0 •- —

2 3 4 5 4.0 6.7 2 1,195,1.19в 1,133 2 0,094 о®!037 0,095 2

4 6 I г ? -4 ш5| 1.657 1,663 1.еб7 .4 ащьто. ш 0.123 4

Б 3 10 11 10.0 :б 2,2011220512207 2204 Б 0.451 ;0,4ш<57 0.45~4 б —

в 12 14; 13 13,0 : 9 1.э72и.37б 1.373 от.; 0 оя; 0,35в о® Ш '1 1

Рис. 1. Вид окна для формирования исходных данных

Статистика ли база данныи -. Загрузить базу даты*

Серия тепловоза [чмЗЗ 3 Номер тепловоза ' Вш ремонта | ^

□¿работать выборки

Ступень ПКМ 3

Выброс |м5к~21

->Закон распреде/здя вероятности

Ср. знач. Маг.ожя. ска

N.3 10,493 51.217 2,713

МПн. г/кцб.м 7.132 57.515 1.17В

СО, гЛубм 0ЯЗ 3,195 0,150

СлНш.г/куб.м ■

4.31 5,81 6,72 7Д В,54 5.44 10-

Рис. 2. Вид окна статистической обработки информации базы данных

Расчет выбросов при реостатных испытаниях тепловозов

О программе | Протокол испытаний Результаты расчета | Статистическая обработка]

-Результаты расчета выбросов—:-:--——:--:-:-:-*—

Серия тепловом [ЧМЭЗ TJ № тепловоза [660t Виа ремонта [ТР1 ]▼] Дата испытания j2003.05.08 ▼} Просмотр!*'

-Основные резу/ыаты расчета (по позишям контроллера машиниста) -

0 I 2 4 6 8

Мощность дизеля. кВт 17.0 120,0 385,0 625,0 870,0

Частота вращения коленвала. *иЛ1 350 450 515 665 750

Удгл>^ расход топлива. кг/кВт ч 0,344 0J09 0.248 0.214 0213

Часовой расмд тетива, т/ч 5ДО 37,125 90,369 133.780 184592

Всего воздал, кг/ч 4847.1 4844.2 5234,2 6259,3 7801,2

Всего рабочего тела, кг/ч 4852,9 48815 5324,6 £333,1 7S862

Ксо<№ициенг избытка воздуха 57,875 9,114 4,046 3.268 2,945

Всего продстсе сгорашя, кг/ч 5048,3 5058,1 5488,0 6570.9 3197,0

Объем пюдуктов сгорания, куб.м/ч 3838,3 i 3892,0 41В8.4 5605,6 6236.4

Кол«ество оксида углерода, кг/ч 0.2516 0.3688 0,5152 2,2725 5,9745

Количество сжсиаа азота, кг/ч 0,6186 1,637В 2,7564 4,3554 4,8651

Количество диоксида азота, кг/ч 0,9484 2:8170 4,2256 6,6769 7,4581

Ко/ичество водяьй паров, кг/ч 6.076 44,103 108.784 155,398 204,300

Количество всвсрсса, кг/ч 0.1210 1 0,1550 ОЛЭв 0,3429 2,4790

Кол«ество азота, кг/ч 32S3.5 3499,4 3870,1 4616,1 5797.6

Дьмостъ предков сгорания, X 3,0 4,0 6.7 10,0 13,0

ДЬМИССТЬ ПРЭД5|СТ0В сгсргжя, кг/ч 0,0481 0,0613 0,1144 ода 0,3433

I

Сокрзнигь/загрузить результаты расчета Занести результаты абазудатшк Удалить результаты из базы даниьй . Загрузить базу денных реаультзтеа Передать результаты расчета в Excfil Перейти к' ■тгггебработке

Рис. 3. Вид окна результатов расчета количества вредных выбросов

в отработавших газах I

■

Рис. 4. Вид диагностического окна базы данных

В пятой главе дана оценка экономической эффективности внедрения метода аналитического контроля экологических характеристик тепловозных дизелей. Стоит отметить, что только снижение затрат на топливо от предполагаемого уменьшения числа проведенных экологических испытаний на ПЭК в разы выше, чем стоимость разработанного программного продукта, рекомендуемого к внедрению на станции реостатных испытаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ методов контроля экологических характеристик тепловозных дизелей. Установлено, что аналитические методы контроля, которые не требуют дополнительных материальных и трудовых затрат и могут информационно дополнять типовые реостатные испытания в локомотивных депо, практически, не используются.

2. Установлено, что значения контролируемых экологических параметров, замеренные на ПЭК практически всегда меньше нормативных значений. Для контрольных режимов испытаний в протоколах отсутствует информация о межремонтной наработке, фактических параметрах нагрузки и экономичности ДГУ тепловозов.

3. Предложен метод расчета продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя для различных режимов нагружения дизеля, построены регрессионные уравнения, связывающие количество вредных выбросов в отработавших газах и термодинамические параметры рабочего цикла для контрольных позиций. Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями, полученные с использованием ПЭК не превышают 8 °/о, для номинального режима до 5 %.

4. Разработана методика расчета термодинамических параметров рабочего цикла дизеля для различных внешних и нагрузочных характеристик, результаты расчета аппроксимированы регрессионными уравнениями, выполнен анализ значимости коэффициентов регрессии, дана оценка адекватности принятых математических моделей. Расхождение результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при выполнении реостатных испытаний не превышают 2 %.

5. Разработана база данных, включающая информацию о технико-экономических параметрах тепловозов и экологических характеристиках их дизельных установок, приведены методика обработки информации и форма представления результатов обработки с целью сравнительной оценки параметров

контролируемого тепловоза со среднеэксплуатационными и нормативными значениями парка локомотивов.

6. Представлен экономический и социальный эффект от внедрения в локомотивных депо ОАО «РЖД» комплексной системы экологического контроля и реостатных испытаний тепловозов. Срок окупаемости затрат на разработку методики и программы аналитической оценки экологических характеристик тепловозов при их внедрении в депо с приписным парком 50 двухсекционных локомотивов составляет 0,95 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Сковородников Е. И. Определение экологического состояния тепловозов по данным реостатных испытаний / Е. И. Сковородников, М. В. Та-рута // Повышение эффективности использования и совершенствование системы технического обслуживания и ремонта локомотивов: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. С. 58 - 62.

2. Тарута М. В. Анализ методов контроля количества выбросов вредных веществ в отработавших газах дизельного подвижного состава / М. В. Тарута,

B. А. Михеев // Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе: Тезисы междунар. науч.-практ. конф. / Сибирский гос. ун-т путей сообщения. Новосибирск, 2007. 4.1. С. 180, 181.

3. Метод контроля полноты сгорания топлива в цилиндре дизеля / Е. И. Сковородников, М. В. Тар утаи др. // Приоритетные направления развития науки и технологий: Труды всерос. науч.-техн. конф. / Тульский гос. ун-т. Тула, 2008. С. 18,19.

4. Тарута М. В. Влияние топливной присадки «Лубризол 8411 А» на экологические показатели тепловозного дизеля / М. В. Тарута, Ю. Б. Гришина,

C. И. Ахметов // Приоритетные направления развития науки и технологий: Труды всерос. науч.-техн. конф. / Тульский гос. ун-т. Тула, 2008. С. 53 - 55.

5. Сковородников Е. И. Разработка метода контроля экологических характеристик тепловозных дизелей /Е. И. Сковородников, М. В. Тарута, Ю. Б. Гришина // ПШ^-МЕСН-АКТ-СНЕМ: Труды V междунар. науч.-практ. конф. / МИИТ. М., 2008. С. 218, 219.

6. Тарута М. В. Совершенствование .методики расчета расхода топлива тепловозами на маневровую работу /М. В. Тарута, В. А. Михеев // Акту-

альные проблемы развития транспортного комплекса: Материалы IV междунар. науч.-практ. конф. / Самарский гос. ун-т путей сообщения. Самара, 2008. С. 9 - 11.

7. Анализ качества функционирования системы экологического мониторинга дизельного подвижного состава/Е. И. Сковородников, М. В. Тару-та и др. // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2008» / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2008. Ч. 3. С. 186 - 188.

8. Применение метода малых отклонений для оценки влияния параметров системы наддува на работу тепловозного дизеля / Е. И. Сковородников, М. В. Тарута и др. // Транспорт Урала. 2009. № 2(21). С. 79 - 82.

9. Режимы работы магистральных тепловозов на восточном полигоне железных дорог России / В. А. Михеев, М. В. Тарута и др. // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2009: Сб. науч. тр. / Одесский нац. морской ун-т. Одесса, 2009. Т. 1. С. 35 - 37.

10. Оценка качества сгорания топлива в цилиндре дизеля по результатам экологических испытаний / Е. И. Сковородников, М. В. Тарута и др. // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2009» / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2009. Ч. 3. С. 72 - 74.

11. Комплекс математических моделей для оценки экономических и экологических характеристик дизельного подвижного состава / Е. И. Сковородников, М. В. Тарута и др. // Материалы восьмой междунар. науч.-практ. конф. / ДВО Российской Академии транспорта Владивосток, 2009. С. 31.

12. Тарута М. В. Оценка качества сгорания топлива по результатам экологического контроля дизелей / M. В. Тарута, Ю. Б. Гришина//Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009. С. 110-114.

Типография ОмГУПСа. 2009. Тираж 100 экз. Заказ 830. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

Введение

1. Анализ методов контроля количества вредных выбросов в отработавших газах транспортных двигателей

1.1. Требования, предъявляемые к экологическим параметрам транспортных двигателей

1.2. Приборные методы контроля экологических характеристик транспортных двигателей

1.3. Пункты экологического контроля энергетических установок дизельных локомотивов

1.4. Определение цели и постановка задачи исследования

2. Анализ качества функционирования системы • экологического мониторинга дизельного подвижного состава в условиях эксплуатации

2.1. Обработка результатов контроля экологического состояния дизельного подвижного состава

2.2. Оценка экологической безопасности тепловозов эксплуатационного парка

3. Разработка математической модели расчета экологических параметров тепловозных дизелей

3.1. Разработка методики расчета количества продуктов сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания методом равновесного состава

3.2. Методика приведения параметров рабочего цикла дизеля при реостатных испытаниях к нормальным атмосферным условиям

3.3. Уточнение параметров процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя с учетом режимов нагружения

4. Формирование автоматизированного программного комплекса для контроля экологических характеристик тепловозов

4.1. Исследование влияния термодинамических параметров рабочего цикла дизеля на количественный состав продуктов сгорания Ю

4.2. Разработка программы обработки результатов экологического контроля тепловозных дизелей в условиях эксплуатации

4.3. Методика работы с программой расчета вредных выбросов в отработавших газах тепловозных дизелей при реостатных испытаниях '

5. Оценка экономической эффективности аналитического контроля экологических характеристик тепловозных дизелей

Решение экологических проблем становится одним из основных приоритетов развития России. Органы государственной власти предпринимают действия, направленные на ужесточение экологического контроля и повышение как административной, так и имущественной ответственности нарушителей природоохранного законодательства.

В этих условиях одним из направлений деятельности для ОАО «РЖД» является формирование и последующая реализация долгосрочного комплекса природоохранных мероприятий. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на железнодорожном транспорте являются следствием сжигания органических видов топлива стационарными и передвижными энергетическими установками.

В частности, по передвижным энергетическим установкам объемы выбросов в 2007 г. распределились следующим образом: 211,9 тыс.т - маневровые и магистральные тепловозы; 65,3 тыс.т - автотранспортные средства, тракторы, самоходная дорожно-строительная техника и специальный подвижной состав.

Экологические платежи на охрану окружающей среды в 2007 г. составили 272,2 млн р., из них за выбросы в атмосферу — 35,4 млн р.

Замена дизельного подвижного состава и реконструкция инфраструктуры железнодорожного транспорта, проводящиеся в рамках технического перевооружения ОАО «РЖД», обеспечивают снижение техногенного воздействия транспорта на окружающую среду.

Внедряемые по Программе ресурсосбережения технические средства и технологии позволили снизить в 2008 и 2009 гг. расход топлива в тяговой и стационарной энергетике на 5000 и 9000 т соответственно, и уменьшить выброс в атмосферу вредных веществ на 100 и 180 т.

В современных условиях экологическая стратегия ОАО «РЖД» задает следующие ориентиры и направления деятельности в области охраны окружающей среды:, совершенствование системы экологического мониторинга; охрана атмосферного воздуха за счет сокращения выбросов стационарными и передвижными энергетическими источниками на 30 %.

Начиная со второй половины XX в. человечество стало проявлять повышенный интерес к проблеме изменения климата. В 1988 г. была учреждена Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), а уже в 1992 г. в Нью-Йорке была принята Рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК).

В декабре 1995 г. МГЭИК в своем втором оценочном докладе призвала все страны мира к действенным мерам по сохранению глобального климата, а в декабре 1997 г. на Третьей конференции сторон РКИК был принят Киот-ский протокол. В марте 1998 г. в штаб-квартире ООН Протокол был открыт к подписанию. К маю 2003 г. 121 страна ратифицировала Киотский протокол, а в феврале 2005 г. к этим странам присоединилась и Россия [1].

Согласно Киотскому протоколу все страны-участницы берут на себя обязательство не превышать базовый уровень (в качестве базового (реперно-го) уровня приняты объемы выбросов в 1990 г.) эмиссии парниковых газов уже в первый бюджетный период (2008 - 2012 гг.). Рыночный механизм Ки-отского протокола предусматривает торговлю единицами сокращения парниковых газов. Страны, превысившие установленный базовый уровень в первом бюджетном периоде, могут приобрести необходимые им единицы у других стран.

В России в качестве базового уровня приняты выбросы в количестве 2,1 млн. т. СОг-эквивалента, хотя СН4 и N20 по парниковой эффективности превышают СО2 соответственно в 21 и 296 раз.

Спад российской экономики сразу же после 1990 г. создает запас по киотским квотам и определяет возможность торговать ими в 2008 — 2012 гг. Однако, эта возможность только потенциальна, так как многое будет зависеть от темпов прироста ВВП и сокращения удельной энергоемкости (угле-родоемкости) отечественной продукции. Если принять (по аналогии с развитыми странами) темпы сокращения углеродоемкости российского ВВП 1,0 -1,5 % в год, то уже в первом бюджетном периоде (2008 - 2012 гг.) Россия из продавца киотских квот превратится в их покупателя. Если же будут достигнуты более высокие темпы снижения углеродоемкости ВВП (4,5 — 5,0 %), то Россия сможет продавать единицы сокращения антропогенных выбросов парниковых газов и только во втором бюджетном периоде (2013 - 2017 гг.) ей нужно будет их покупать.

По результатам анализа обобщенных статистических данных по большинству стран мира, проведенного международными энергетическими организациями, обнаружилась достаточно строгая взаимосвязь между уровнем развития экономики стран и эмиссией антропогенного С02, в основном как результата техногенного потребления органического топлива. При этом, как правило, возрастание антропогенных выбросов С02, измеряемое килограммами С02 на душу населения, прекращается при достижении ВВП на душу населения, равного 15-16 тыс. долл. США. В России в настоящее время этот показатель составляет 7-8 тыс. долл. США.

Вместе с этим углеродоемкость отечественной продукции составляла в 2000 г. 1,5 - 1,6 кгССЬ/долл. ВВП, а в США в том же году — 0,45 - 0,55 кг С02/долл. ВВП. Суммарный ВВП США равнялся около 35 тыс. долл. на душу населения.

Таким образом, имеет место не только почти 5-ти кратное отставание отечественной экономики по ВВП (по сравнению с США), но и 3-х кратное превышение ее углеродоемкости. В связи с этим России необходимы не только повышенные темпы развития экономики, но и многократное снижение ее удельной углеродоемкости. При этом углеродоемкость ВВП (удельная эмиссия С02) должна снижаться двумя путями: во-первых, повышением энергоэффективности, а следовательно, снижением энергоемкости продукции и, во-вторых, поглощением антропогенного С02 путем его извлечения из продуктов сгорания топлива (дымовых газов) и утилизации.

Несмотря на многочисленные прогнозы и заключения экспертов, предсказывающих бесперспективность поршневых двигателей внутреннего сгорания и их замену на транспорте и в автономной энергетике на газовые турбины и альтернативные источники энергии, рост энерговооруженности общества продолжается в основном за счет увеличения выпуска поршневых двигателей.

Столь широкое распространение поршневых двигателей внутреннего сгорания на транспорте и в автономной стационарной энергетике определяется тем, что в диапазоне мощностей от 5 кВт до 20 МВт поршневые двигатели, особенно дизели, сегодня и на ближайшую перспективу, имеют недостижимый для других тепловых двигателей эффективный КПД, равный 45-55 %.

Токсичность отработавших газов двигателей оценивается нормируемыми и ненормируемыми компонентами, опасность которых общепризнанна. К нормируемым компонентам относят те из них, на образование и выход которых влияет конструкция двигателей.

Выбросы нормируемых компонентов характеризуются техническими нормативами, значения которых соответствуют достигнутому в настоящее время техническому уровню двигателей. Предельно допустимые значения этих нормативов, осредненные в пределах эксплуатационной характеристики и выраженные в г/кВт-ч, установлены международными и национальными стандартами, которые действуют в сфере производства двигателей.

После установки на объекте применения в действие вступают другие стандарты и нормативные документы, распространяющиеся на установки и транспортные средства с двигателями. При этом в эксплуатации предельно допустимые значения выбросов вредных веществ могут значительно превышать технические возможности двигателей.

Таким образом, стандарты в области охраны окружающей среды регулируют и прогнозируют развитие технического уровня ДВС.

Технические нормативы выбросов для дизелей различного применения, но близкого класса мощности и быстроходности, приблизительно одинаковы. Некоторые различия определяются, в основном, особенностями испытательных процедур.

К ненормируемым компонентам относятся вредные вещества, образующиеся при горении топлива в двигателе, но технические нормативы на них не установлены, поскольку их образование и выход не зависит от конструкции двигателя. К этим веществам относятся окислы серы, циклические и полициклические ароматические углеводороды, альдегиды и т. д. Достаточно корректным будет предположение о том, что содержание в отработавших газах ненормируемых компонентов определяется химическим составом и качеством топлива.

Если раньше основное внимание уделялось вопросам топливной экономичности, удельной мощности, ресурса и т. п., то в последнее время приоритет отдается вопросам экологии. Это связано с растущим во всем мире пониманием важности сохранения окружающей среды, что подтверждается постоянным ужесточением как национальных, так и международных нормативов выбросов. Эта тенденция сохранится в ближайшем будущем, даже несмотря на рост цен на нефть.

Железнодорожный транспорт признан в мире одним из наиболее экологически эффективных видов транспорта.

ОАО «РЖД» является одним из основных перевозчиков грузов и пассажиров в стране: на его долю приходится свыше 80% грузооборота (без трубопроводного транспорта) и почти 40% пассажирооборота, при этом доля негативного воздействия железнодорожной отрасли в общем объеме загрязнении окружающей среды в масштабах страны составляет:

0,72% по выбросам в атмосферу от стационарных источников;

1,00% по выбросам в атмосферу от передвижных источников;

0,09% по сбросу загрязненных сточных вод в водоемы;

0,08% по образованию отходов производства.

В 2007 г. контроль за выбросами загрязняющих веществ, от передвижных источников (тепловозов), в атмосферу осуществлялся 121 пунктом экологического контроля. Все тепловозы после ремонта двигателей проходили обязательное тестирование на указанных пунктах по экологическим показателям. Этот контроль прошли 6488 секций тепловозов.

Экологические платежи за загрязнение окружающей среды в 2007 г. составили 272,2 млн. руб. (из них за выбросы в атмосферу - 35,4 млн. руб.), в том числе сверхнормативные платежи — 45 млн. руб. (17%).

Одной из причин негативного воздействия филиалов Компании на окружающую среду является наличие устаревшего парка подвижного состава, который загрязняет атмосферный воздух, землю и требует более частого текущего и капитального ремонта.

В условиях ужесточение государственного экологического контроля одним из приоритетных направлений деятельности для ОАО «РЖД» является формирование и последующая реализация долгосрочного комплекса природоохранных мероприятий.

Компанией уделяется большое внимание обновлению парка подвижного состава и, соответственно, повышению его экологичности.

Техническое перевооружение ОАО «РЖД», проводимое по замене подвижного состава, реконструкции инфраструктуры, обеспечивает снижение техногенного воздействия на окружающую среду.

При капитальном ремонте тепловозов осуществляется замена устаревших двигателей на современные, более экологичные двигатели отечественного производства, которые повышают топливную экономичность отремонтированных тепловозов на 15%, улучшают экологические показатели на 30%.

Следует подчеркнуть, что в современных условиях экологические программы не являются затратными мероприятиями - каждый рубль, вложенный ОАО «РЖД» в защиту окружающей среды, приносит, в среднем, четыре рубля экономии на экологических платежах.

Очевидно, что инвестирование средств в природоохранные мероприятия является для ОАО «РЖД» выгодным проектом не только с точки зрения экономической эффективности, но и с точки зрения соответствия государственным стандартам в области экологической безопасности, поддержания репутации эколого-ориентированной Компании.

Формирование позитивной экологической репутации потребует от ОАО «РЖД» определенных, не слишком обременительных в общем объеме расходов Компании финансовых затрат, однако эффект уже в ближайшей перспективе может окупить вложенные инвестиции как в плане экономической отдачи, так и в плане формирования благоприятного отношения общества, государства и потенциальных инвесторов к железнодорожной отрасли.

Поэтому, одной из приоритетных целей экологической стратегии ОАО «РЖД» на среднесрочную перспективу до 2015 г. является сокращение на 30% выбросов передвижными источниками вредных выбросов в атмосферу.

Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с экологической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г., утвержденной 13 февраля 2009 г., и в соответствии с федеральной целевой программой «Модернизация транспортной системы России», утвержденной постановлением Правительства РФ 5 декабря 2001 г., и программой госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры «Локомотивы» ОмГУПСа на 2009 г. «Совершенствование системы ремонта, повышение эффективности эксплуатации и снижение экологического воздействия на окружающую среду дизельного подвижного состава» ГБ 164 номер государственной регистрации 01.95.00 07235.

1. Выполнен анализ методов контроля экологических характеристик тепловозных дизелей. Установлено, что аналитические методы контроля, ко торые не требуют дополнительных материальных и трудовых затрат и могут информационно дополнять типовые реостатные испытания в локомотивных депо, практически, не используются.2. Установлено, что значения контролируемых экологических парамет ров, замеренные на ПЭК практически всегда меньше нормативных значений.Для контрольных режимов испытаний в протоколах отсутствует информация о межремонтной наработке, фактических параметрах нагрузки и экономич ности ДГУ тепловозов.3. Предложен метод расчета продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя для различных режимов нагружения дизеля, построены регресси онные уравнения, связывающие количество вредных выбросов в отработав ших газах и термодинамические параметры рабочего цикла для контрольных позиций. Расхождение между расчетными и экспериментальными значения ми, полученные с использованием ПЭК не превышают 8 %, для номинально го режима до 5 %.4. Разработана методика расчета термодинамических параметров рабо чего цикла дизеля для различных внешних и нагрузочных характеристик, ре зультаты расчета аппроксимированы регрессионными уравнениями, выпол нен анализ значимости коэффициентов регрессии, дана оценка адекватности принятых математических моделей. Расхождение результатов расчета с экс периментальными данными, полученными при выполнении реостатных ис пытаний не превышают 2 %.5. Разработана база данных, включающая информацию о технико экономических параметрах тепловозов и экологических характеристиках их дизельных установок, приведены методика обработки информации и форма представления результатов обработки с целью сравнительной оценки пара метров контролируемого тепловоза со среднеэксплуатационными и норма тивными значениями парка локомотивов.6. Представлен экономический и социальный эффект от внедрения в локомотивных депо ОАО «РЖД» комплексной системы экологического кон троля и реостатных испытаний тепловозов. Срок окупаемости затрат на раз работку методики и программы аналитической оценки экологических харак теристик тепловозов при их внедрении в депо с приписным парком 50 двух секционных локомотивов составляет 0,95 года.

1. Рогинко А. Киотский протокол: уроки и задачи. / А. Рогинко //Экология и промышленность. - 2005 февраль. - 4-7.

2. Панчишный В.И. Системы комплексной очистки отработавших газовдизелей / В.И. Панчишный // Автомобильная промышленность. — 2004.-№1-с. 25-27.

3. Петров Р.Л. Германия: экологический рейтинг автомобилей. / Р.Л.Петров // Автомобильная промышленность. - 2001. №7 — с. 36-39.

4. Методические указания по определению влияния вредных выбросовот тепловозов на состояние атмосферного воздуха в районах железнодорожных станций и узлов / МПС СССР. - М., 1987. - 41 с.

5. Кульчицкий А.Р. Эфрос В.В. Транспорт и «парниковые газы» / А.Р.Кульчицкий В.В. Эфрос // Автомобильная промышленность. - 2005. № 6 - с . 5-8.

6. Горбунов В.В. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.В.Горбунов, H.H. Патрахальцев. - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 1998. - 214 с.

7. Филиппов А.А. Бондаренко Е.В. Короткое М.В. Оценкаэкологической опасности автомобиля, работающего на разных видах топлива / А.А. Филиппов, Е.В. Бондаренко, М.В. Короткое // Автомобильная промышленность. — 2004. №4 - с. 29-30.

8. Головных И.М. Евтухов А.В. Модель токсичности выбросов дизелейна нестационарных режимах / И.М. Головных, А.В. Евтухов. // Автомобильная промышленность. - 2003. №8 - 9-11.

9. Кульчицкий А.Р., Коротнев А.Г., Петров В.Л., Честнов Ю.И. Эмиссияуглеводородов с отработавшими газами дизелей. / А.Р. Кульчицкий, А.Г. Коротнев, В.Л. Петров, Ю.И. Честнов. // Двигателестроение. 2000. №2 - с. 37-38.

10. Новиков Л.А. Современные и перспективные технологии дляорганизации малотоксичной работы двигателей. / Л.А. Новиков. // Двигателестроение. - 2005. №4 — с. 8-15.

11. Козлов А.В. Экологическая модель ДВС с искровым зажиганием /А.В. Козлов//Автомобильная промышленность. -2003. № 4 - С . 12-15.

12. Звонов В.А. Козлов А.В. Теренченко А.С. Альтернативные топлива сучетом их полного жизненного цикла. / В.А. Звонов, А.В. Козлов, А.С. Теренченко // Автомобильная промышленность. - 2001. №4 — 10-12.

13. Звонов В.А. Козлов А.В. Теренченко А.С.Оценка жизненного циклаоснова совершенствования АТС / В.А. Звонов, А.В. Козлов, А.С. Теренченко // Автомобильная промышленность. - 2003. № 1 1 - с. 9-12

14. Мельник Г.В. Вопросы экологии на конгрессе CIMAC-2007. / Г.В.Мельник. // Двигателестроение. — 2007. №4 — с. 45-50.

15. Марков В. А. Сравнительная эффективность методов снижениятоксичности отработавших газов дизелей / В.А. Марков // Автомобильная промышленность. - 2002. №12 - с. 19-23.

16. Дунин Г. И снова о впрыске. / Г. Дунин // АБС-авто. - 1999. июль - с. 16-18.

17. Локомотивные энергетические установки / Под ред. А. И. Володина.М.: ИПК «Желдориздат», 2002. - 718 с.

18. Смайлис В. И. проблемы снижения токсичности и дымностиотработавших газов дизелей / В. И. Смайлис //Двигателестроение. 1979. №1 с. 19-21.

19. Кульчицкий А.Р. Честнов Ю.И. Петров В.Л. Оценка дымностиотработавших газов дизелей, цикл ERL / А.Р. Кульчицкий, Ю.И. Честнов, В Л. Петров // Автомобильная промышленность. - 2002. №6 - 23-25.

20. Мерзляков Ю.Г. Олейник А.В. Серийное производствоотечественных нейтрализаторов отработавших газов налажено. / Ю.Г. Мерзляков, А.В. Олейник // Автомобильная промышленность. - 2002. №6 - 3-6.

21. Бакалейник A.M. Емельянов В.Е. Влияние качества бензинов навеличину загрязняющих выбросов автомобилей. / A.M. Бакалейник, В.Е. Емельянов //-2006 июль - с. 29-31.

22. Марков В. А. Токсичность отработавших газов дизелей / В. А.Марков, Р. М. Баширов, И. И. Габитов. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002.-376 с.

23. Келлер К. А. Диагностика автомобильного двигателя / К. А. Келлер.Ужгород. 1977.-160 с.

24. Васильев В. Индикатор интенсивности износа / В. Васильев.М.: Морской флот. 1971. №2. с. 36-37.

25. Маслов Н. Н. Охрана окружающей среды на железнодорожномтранспорте. - Ленинградский ин-т инж. Ж.-д. транш. - Л., 1991. - 54 с.

26. ГОСТ 12.1.007.-88. Вредные вещества. Классификация и общиетребования безопасности. -Введ. 89-01-01.—М:Изд-во стандартов, 1989.

27. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиеническиетребования к воздуху рабочей зоны. Введ. 89-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 1988. - 5 с.

28. Дизели: Справочник / ред. В. А. Ванштейд, Н. Н. Иванченко, Л. К.Колеров. - Л., 1977. - 479 с.

29. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей / И. И. Вибе. - М.,Свердловск, 1962.— 271 с.

30. Брук М. А. Инженерные основы эксплуатации двигателейвнутреннего сгорания / М. А. Брук. - Л., 1976. - 250 с.

31. Павлова Е. И. Экология транспорта / Е. И. Павлова, Ю. В. Буралев.М.: Транспорт, 1988. - 232 с.

32. Смайлис В. И. Изыскание путей снижения токсичности выхлопныхгазов дизелей. М., 1965 (НИИИнформтягимаш. Вып. 3)

33. Смайлис В. И. Рециркуляция отработавших газов как средствосокращения выбросов окислов азота дизелями. В кн.: Снижение загрязнения воздуха в городе выхлопными газами автомобилей. М.: НИИавтопром, 1971, с. 118-126.

34. Крылов А. Газоанализатор поможет механику. / А. Крылов // АБСавто. - 2000. май - с. 8-9.

35. Стефановский Б. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Б.С. Стефановский, Е. А. Скобцов, Е. К. Кореи. - М., 1972. - 368 с.

36. Теенер П. А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы.М.: Химия. 1972.-136 с.

37. Аристов Л.И., Керимов О.М. и др. Разработка аппаратуры измеренияконцентрации азота в гелии для топливных систем криогенных двигателей. Сборник тезисов третьего международного аэрокосмического экономического конгресса 1АС-2000. Москва, август 2000.

38. Дудышев В.Д. Экономия топлива и снижение токсичностибензиновых двигателей / В.Д. Дудышев // Экология и промышленность - 2003 май. - 39-41.

39. ГОСТ 17.2.6.02-85 Охрана природы. Атмосфера. Газоанализаторыавтоматические для контроля загрязнения атмосферы. Общие технические требования. Постановление Госстандарта СССР от 1812.1985 №4144.

40. Полосин И.И. Тетельбаум А.Н. К распределению в атмосферномвоздухе примеси, содержащейся в отработавших газах двигателя легкового автомобиля / И.И. Полосин, А.Н. Тетельбаум // Экология и промышленность. - 2005 ноябрь - 32-34.

41. Паспорт. Газоанализатор IMR-1400PL.

42. Звонов В.А. Теренченко А.С. Образование оксидов азота присгорании альтернативных топлив в дизеле / В.А. Звонов, А.С. Теренченко //Автомобильная промышленность. - 2003. №3 — 10-13.

43. Медведев Ю.С. Математическое моделирование работы системыснижения токсичности отработавших газов / Ю.С. Медведев // Экология и промышленность. - 2004 февраль- 22-23.

44. Пункт экологического контроля. Руководство по эксплуатации.Утвержден Минприроды РФ в 1994 г.

45. Правила технического обслуживания и текущего ремонта тепловозовтипа ТЭЗ и ТЭ10. М., «Транспорт» 1988. - 256 с.

46. ГОСТ Р 50953-96. Выбросы вредных веществ и дымностьотработавших газов магистральных и маневровых тепловозов. Нормы и методы определения. — Введ. 1997-07-01. - М.: Госстандарт России, 1996.-15 с.

47. Временные нормы и методы определения удельных выбросовзагрязняющих веществ в атмосферу с отработавшими газами дизелей эксплуатируемых тепловозов / Минприроды СССР и МПС СССР. М., 1991.-9 с.

48. Временные нормы дымности и выбросов с отработавшими газамиэксплуатируемого дизельного подвижного состава. Минприроды РФ, МПС РФ от 12.09.95 г.

49. Токсичность отработавших газодизельных двигателей. //За рулем.1999.-с. 1-5.

50. Сонкин В.И. Цапов Н.Н. Многоклапанные бензиновые двигатели ЗМЗсостояние, перспективы, проблемы. / В.И. Сонкин, Н.Н. Цапов //Автомобильная промышленность. - 2002. №1- с. 12-16.

51. Хрулев А. Контроль токсичности или диагностика неисправностей./А. Хрулев // АБС-авто. -1998. октябрь - с. 34-37.

52. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели / В.И. Смайлис. - Л., 1972. - 128 с.

53. Соколов А. И. Прогнозирование ресурса ДВС методом эмиссионногоспектрального анализа масла / А. И. Соколов //Двигателестроение. 1981. № 11. с. 38-40.

54. Шор Я. Б. Таблицы для анализа и контроля надежности / Я Б. Шор, Ф.И. Кузьмин. - М . : «Советское радио», 1968. 288 с.

55. ГОСТ Р 30574-98. Дизели судовые, тепловозные и промышленные.Измерение выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Циклы испытаний. -Введ. 2000-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1999. —15 с.

56. ГОСТ Р 51250-99. Дизели судовые, тепловозные и промышленные.Дымность отработавших газов. Нормы и методы определения. - Введ. 2000-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 15 с.

57. Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. А. Орлина, М. Г.Круглова. Т. I. Четвертое издание, перераб. и дополн-е. М.: «Машиностроение», 1984. - 384 с.

58. Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. А. Орлина, М. Г.Круглова. Т. И. Четвертое издание, перераб. и дополн-е. М.: «Машиностроение», 1984. — 374 с.

59. Семенов Н. Н. Тепловая теория горения и взрывов, «Успехифизических наук». 1940.

60. Володин А. И., Каганович Ю. И. Показатели процессов горения втепловозном комбинированном двигателе. — Двигателестроение, 1983. №1. с. 12-14.

61. Методы оценки технического состояния, эксплуатационнойэкономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов: Монография / Под ред. А. И. Володина. - М.: ООО «Желдориздат», 2007. - 264 с.

62. Кононов В. Е., Скалин А. В. Справочник машиниста тепловоза. - М.:Транспорт, 1993. — 256 с.

63. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизельпоездам. Под ред. А. И. Тищенко. Т. I. М.: «Транспорт», 1976. - 432 с.

64. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В.Е. Гмурман. — М.: Высшая школа, 2002. - 479 с.

65. Сковородников Е. И. Научные основы технического итехнологического обеспечения по снижению вредных выбросов тепловозов: дис. док. техн. наук: 05.22.07: защищена 18.02.2000 / Сковородников Евгений Иванович. - Омск, 2000. — 360 с.

66. Мочалова В. Разработка методики комплексной оценкиэкологических характеристик тепловозов в условиях эксплуатации. Автореферат диссертации: 05.22.07: защищена 25.05.2006 / Мочалова Светлана Владимировна. — Омск, 2006 — 20с.

67. Сковородников Е. И. Методы оценки и пути сниженияэкологического воздействия тепловозных дизелей на окружающую среду. / Е. И. Сковородников. Омская гос. акад. путей сообщения - Омск, 1995.-104 с.

68. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / под ред. Л. В.Гурвич. -М., 1962. - 1480 с.

69. Ахметов Н. Общая и неорганическая химия. - 4-е изд., испр. - М.:Высшая школа. Изд. центр «Академия», 2001. - 743 с , ил.

70. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. Учебное пособиедля вузов/ Под ред. В.А. Рабиновича и Х.М. Рубиной. - М.: ИнтегралПресс, 2001 .-240 с.

71. Звонов В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.А.Звонов.-М., 1981.-158 с.

72. Тарута М. В. Разработка метода контроля экологическиххарактеристик тепловозных дизелей / М. В. Тарута, Е. И. Сковородников, Ю. Б. Гришина // TRANS-MECH-ART-CHEM. Труды V международной научно-практической конференции. МИИТ. Москва, 2008. 218-219 с.

73. Попов Б. А., Теслер Г. Вычисление функций на ЭВМ. Справочник.- Киев. Наукова думка. 1984. - 600 с.

74. Иванов В. В. Методы вычисления на ЭВМ. Справочное пособие. —Киев. Наукова думка. 1986. - 584 с.

75. СТ СЭВ 4394-83. Двигатели внутреннего сгорания поршневые.Методы пересчета мощности и удельного расхода топлива. М., 1985. 33 с.

76. Симеон А. Э. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания. Учебникдля ВУЗов / А. Э. Симеон, А. 3. Хомич, А. А. Куриц. - М., 1987. - 536 с.

77. Нотик 3. X. Тепловозы ЧМЭЗ, ЧМЭЗТ: Пособие машинисту. - М.:Транспорт, 1990. - 381 с.

78. Нотик 3. X. Тепловозы ЧМЭЗ, ЧМЭЗТ, ЧМЭЗЭ: Пособие машинисту.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1996. - 444 с.

79. Вопросы влияния параметров газовоздушного тракта на техническоесостояние дизеля / Е. И. Сковородников, Д. А. Титанаков, В. Борисова, О. В. Балагин // Вестник инженеров-электромехаников железнодорожного транспорта / Самара, 2003. Вып. 1. с. 473-476.

80. Межерицкий А. Д. Турбокомпрессоры системы наддува судовыхдизелей / А. Д. Межерицкий. — Л., 1986. - 248 с.

81. Дизели. Справочник / ред. Р. Н. Михеев, Г. Г. Степанов, М. П.Юркевич. - М.: Машиностроение, 1964. - 599 с.

82. Володин А. И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания / А. И.Володин. - М., 1990. - 256 с.

83. Байков Б. П. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочноепособие / Б. П. Байков, В. Г. Бордуков, П. В. Иванов, Р. Дейч. - Л.: Машиностроение, 1975. -200 с.

84. Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы / ред.Н.X. Дьяченко. - Л., 1974. - 552 с.

85. Инструкция по эксплуатации двигателя K6S310DR для тепловозаЧМЭЗ. В 2 т. т. 2. - Чехословакия. Прага: Дизелестроительный завод им. Вильгельма Пика. - 1983. - 240 с.

86. Инструкция по эксплуатации и уходу за тепловозами ЧМЭЗ. В 2 т. т.2А. Воздуходувка PDH 50V. - Прага. - 1983. - 50 с.

87. Володин А. И. Локомотивные энергетические установки. Курсовойпроект / А. И. Володин, Е. И. Сковородников, М. Овчаренко. — Омск, 2000.-40 с.

88. Блинов П. Н. Тепловой и динамический расчет двигателейвнутреннего сгорания на ЭВМ «НАИРИ-2»: методические указания по курсовому проектированию / П. Н. Блинов, Е. И. Сковородников. — Омск, 1982.-44 с.

89. Шелест П. А. Индикаторный процесс тепловозного дизеля // Вестникмашиностроения. 2001. № 7.

90. Разлейцев Н. Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания вдизелях / Н. Ф. Разлейцев. - Харьков: Вища школа, 1980. - 169 с.

91. Кринецкий И. И. Основы научных исследований / И. И. Кринецкий.Учебное пособие для вузов. — Киев—Одесса: Вища школа. 1981.- 208 с.

92. Хартман К. Планирование эксперимента и исследованиетехнологического процесса / К.Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер. — М., 1977.-446 с

93. Ящерицын П. И. Планирование эксперимента в машиностроении /П. И. Ящерицын, Е. И. Махаринский.- Минск, 1985. - 286 с.

94. Костин А. К. Работа дизелей в условиях эксплуатации / Справочник.А. К. Костин, Б. П. Пугачев, Ю. Ю. Кочинев. - Л.: Машиностроение. 1989.-284 с : ил.

95. Математические методы планирования эксперимента. / Под ред. д-рафиз.-мат.наук В. В. Пененко. - Новосибирск: Наука, 1981. 256 с.

96. Михайлов В. И., Федосов К. М. Планирование экспериментов всудостроении. - Л.: Судостроение, 1978. — 159 с.

97. Грачев Ю. П. Математические методы планирования экспериментов.М.: Пищевая промышленность, 1979. - 199 с.

98. Теннант-Смит Дж. Бейсик для статистиков / Дж. Теннант-Смит. Пер.с англ. - М.: Мир, 1988. - 208 с.

99. Геворкян Г. X., Семенов В. Н. Бейсик — это просто /Г. X. Геворкян, В.Н. Семенов. - М . : Радио и связь, 1989 - 145 с .

100. Росс Нелсон Running Visual Basic 3 for Windows / Пер с англ. - М.:Издательский отдел «Русская Редакция», 1995. - 384 с.

101. Методические рекомендации по оценке- инвестиционных проектов.Утв. Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Гос. комитетом РФ по строит., архитектурн. и жилищной политике. №ВК-477 от 21.06.1999 г.

102. Методические рекомендации по обоснованию эффективностиинноваций на железнодорожном транспорте. М., 1999, 230 с.

103. Коэффициенты дисконтирования: Методические рекомендации поопределению экономической эффективности мероприятий НТП на железнодорожном транспорте. 1991, 229 с.