автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Теория экологических характеристик автомобильных энергоустановок

од

На правах рукописи

ТРСШМЕНКО Юрий Васильевич

ТЕОРИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Специальности: 05.04.02 -05.22.10 -

"Тепловые двигатели" "Эксплуатация автомобильного транспорта" " "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1996

Рабсга выполнена в Московском государственном автошбиль-но-дорозшом институте (техническом университете).

Научный консультант член-корреспондент РАН,

д.т.н. ; профессор ЛУКАНКН В.К.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор СТАВРОВ O.A.

д.т.н., профессор ДЕНИСОВ A.B. Д.т.н., Профессор КОРЧАГИН Б.А.

Ведущая организация Государственный научный центр РФ "Научло-иссдедоватеаьскии автомобшгьшй и автомоторный институт" (ГНЦ - НАШ) ,

Защита состоится " " 1дд5 года в 10 часов ка

заседании диссертационного совета ВАК Л 053.30.02 при .Московском государственном автоысбйхьнэ-дорсашом институте (техническом университете) по адресу: 125829, ГСП-47, Москва А-319, Ленинградский 'проспект, 64, ауд. 42. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета.

Автореферат, разослан уИ/1/!_ 1996 г.

Отзывы просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью. Справки по телефону 155т03-28.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент .

Максимов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

• Актуальность проблемы. Парк автомобильных энергоустановок !ЭУ) является основным, имеющим тенденцию постоянного роста, ис-хзчником негативного воздействия на окружающую среду (ОС) в крупнее городах. Это воздействие проявляется при реализации жизненного, ¡икла (ЕЦ) ЭУ в виде загрязнения ОС вредными веществами и отходам, истощения природных ресурсов (потребление конструкционных и жеплуагациошшх материалов (КЗМ), создания транспортного дискомфорта для населения и участников движения, уничтожения генофонда шологических существ при реализации перевозочного процесса.

Данные виды взаимодействия ЭУ с ОС, как покгэали исследования, не в полной мере учитывается при формирования экологических ■ребований к конструкциям автомобильных' двигателей, технологичес-зад процессам реализации их Щ.

До настоящего времени эти требования' в нашей стране не имели :колько-нибудь достаточного обоснования, т.к.'.автомобильная про-ьшленвость. ориентировалась на выполнение горм и предписаний, раз->а5отанных и принятых в других странах для кмещихсз там природ-го-климатических, знерго-экологических условий, составов и интен-:ив;юстей транспортных потоков на улшчко-дорояной сети, техничес-:ого уровня автотранспортной техники.

Это объективно вело к рассогласованию экологических требований к двигателям и реальных возможностей (прежде всего экономически) в части использования апробированных за рубегом мероприятий :о совершенствованию конструкций узлов и агрегатов, свойств ис-ользуемкх материалов, технологий изготовления, технической экс-луатацик и восстановления работоспособности автомобильных ЭУ.

При комплексном изучении и моделировании основных проявлений заимодействия ЭУ с ОС возможно оценить значения показателей норм) токсичности, топливной экономичности двигателей с учетом еальных . условий эксплуатации АТС в конкретном регионе, влияния азличных мероприятий по совершенствованию конструкции двигателей а уровень концентрации примесей в прийемном слое атмосферы.

Появляется возможность количественных оценок и других измери-елей групповых свойств, отражающих процессы взаимодействия ЭУ с. С, а также уровня'экологической чистоты (экологической характе-исткки) автомобильных энергоустановок.

Целью настоящего исследования является разработка теории экологических характеристик автомобильных ЭУ при реализации их жизненных циклов на основании количественной оценки (различными методами) и регулирования интенсивности поточных процессов энерго- и массопреобразований между энергоустановками и окружающей средой.

Решались следующее задачи:

1. Разработка методологии комплексного анализа процессов взаимодействия ЭУ с ОС, происходящих в системе "Автотранспортный комплекс - окружающая среда" (АТК-ОС), ' б виде поточных процессов, энерго- и массопреобразований при реализации ЖЦ ЗУ' с учетом масштабного фактора (численности объектов), а также принципов управления развитием системы в пределах экологического допуска.

2. Разработка комплексной1методики моделирования этих процессов на уровне отдельных объектов и совокупности машин, обеспечивающей переход от удельных'(на единицу времени) расходов КЭМ, концентраций вредных веществ б отработавших газах двигателей (в условиях стендовых испытаний на стационарных режимах), а такхе в технологических .процессах их ЖЦ к концентрациям компонентов автомобильных выбросов в атмосфере крупного города, объемам потребления материалов, валовых выбросов вредных веществ парком ЭУ.

3. Разработка алгоритма формирования и получение количественных оценок экологических характеристик (уровней экологической-чис-тоты) существующих и перспективных конструкций автомобильных ЭУ при реализации их Щ в виде совокупности измерителей групповых свойств, отражающих основные процессы взаимодействия ЭУ'с ОС.

4. Разработка методики формирования парка ЭУ региона с учетом экологических ограничений, предусматривающей решение задач оптимизации --(в том числе в условиях неопределенности) при использования разных критериев: непревыиения валовых выбросов вредных веществ (объема топливопотребления) в базовом году, - а также непревышения предельно-допустимых концентраций компонентов автомобильных выбросов в атмосфере.

5. Разработка методики обоснования экологических требований (перспективных норм) к автомобильным двигателям с учетом технического уровня, структуры, численности, интенсивности использования

1 существующего (прогнозируемого) автомобильного парка.

Методы, объекты исследований и достоверность результатов.

Решение конкретных задач осуществлялось:

методами математического и имитационного моделирования, зкс-[ертных оценок, сценарного прогнозирования;

обобщением результатов испытаний дв*дгателеи на шторных стенда и при движении АТС в разных условиях с оценкой тагово-скорсст-их сеойств, топливной экономичности, токсичности отработавших га-юв, выполненных в разных организациях;

проведением испытаний двигателей на моторных стендах и при [вюхении АТС в ПЛТД МАЛИ, Техническом университете г. Брауншвейга ФРГ), НИИ автомобильного транспорта и дорокного хозяйства при министерстве транспорта ФРГ CBASt);

обобщением результатов наблюдений с оценками энергозатрат, шбросоз вредных веществ в атмосферу.и.сточные воды, расходов КЭМ 1ри изготовлении, техническом обслуживании к решите двигателей;

методами статистической обработки массивов исходных данных и юзультатов аналитических исследований. ■

В качестве объектов исследований принята 74 автомобильных ЗУ, s процессах изготовления, выполнения транспортной работы, проведения технического обслуживания и ремонта, из которых 29 с бензиновыми ЕВС, 16 с дизелями, 15 на ошхенном нефтянш газе (СНГ), 10 -ia скатом природном газе (СНГ) и 4 газодизельных ЗУ; а также 2 5ензиновых ДВС фирмы.Mersedes Bsnz, 6 дизелей Ford, Isuzu, BMW, iVECO, Peugeot,' Caterpillar, 1 газовый (СПГ) двигатель IVECO. Достоверность результатов обеспечивалась использованием: современных методов к средств измерений, соблюдением требова-гай стандартов при проведении моторных и ходовых испытании;

процедур тестирования опубликованных результатов испытаний ¡вигателей и АТС, результатов промежуточных вычислений, восстанов-юния статистической информации;

настройкой математических моделей варьированием (в пределах юпустимых разбросов)' значений исходных данных на достижение при-гмлемсго уровня погрешностей результатов моделирования. Научная новизна заключается в: ■

развитии научных представлений о взаимодействии автомобильных ЗУ с ОС в виде поточных процессов энерго- и массопреобразований фи реализации жизненных циклов ЭУ с учетом масштабного фактора [численности энергоустановок);

разработке методологии комплексного анализа процессов взаимо-[ействия совокупности ЭУ с ОС, происходящих в природно-технической

системе АТК-ОС региона, а гаюге принципов управления развитием системы в пределах экологического допуска;

разработке комплексной методики моделирования процессов знер-го- и массопреобразований между ЭУ и ОС на уровне отдельных объектов и совокупности машину

формировании и количественных оценках экологических характеристик (уровней экологической чистоты) существующих и перспективных ЭУ при реализации их ЖЦ;

разработке методики формирования парка ЭУ региона с учетом экологических ограничений, т.е. при условии непревышения валовых вибросов вредных веществ в базовом году или непревьшения предельно-допустимых концентраций автомобильных выбросов в атмосфере.

Практическое значение работы. Основными направлениями практического использования результатов исследования являются:

обоснование экологических требований к автомобильным двигателям, технологиям их технического обслуживания и ремонта (значений ' норм) с учетом природно-климатических факторов, ресурсных ограничений, а также состояния и перспектив развития парков ЭУ, улич-но-дорожной сети (УДС), производственной базы автотранспорта, организации дорожного движения;

сравнение с помощью интегрального измерителя различных типов и модификаций автомобильных ЭУ при оценке их технического уровня, формировании потребительского спроса, установлении отпускных цен;

учет влияния парка ЭУ на концентрацию примесей в воздухе городов с учетом привязки транспортных потоков к улично-дорохшой сети и изменения интенсивности выбросов по времени;

разработка элементов экономического регулирования природоохранной деятельности, связанной с производством, использованием, проведением технического обслуживания и ремонта двигателей.

Реализация результатов. Результаты работы использованы при: прогнозировании энергообеспечения автомобильного транспорта на перспективу, выполненных ЖШ по заданию Госплана СССР (1988);

обосновании технических требований к объекта-!, которые разра-. батывались в Государственной научно-технической программе (ГНТП) "'Высокоскоростной экологически чистый транспорт" по направлению "Экологически чистый автомобиль" (1989 - 1991);

обосновании мероприятий в проекте Московской региональной комплексной программы "Экологизация автомобильного транспорта, доб

рожного хозяйства, организации перевозок и безопасности движения", одобренной на совместном заседании Научного совета по ГНТП и Общественного научного совета-при правительстве г. Москвы 8.01.92г.;

разработке концепции-Национальной программы "Транспорт России" по разделу б "Транспортная техника" (1993);

разработке проекта нормативного документа: "Методические ,ре--комендации по определению платы с владельцев АТС за сверхнормативное загрязнение окружающей среды" (проект 8.3.2.3. Федеральной программы "Экологическая безопасность России") (1993-1994);

разработке алгоритмов и организации системы мониторинга загрязнения атмосферного воздуха в г. Москве с учетом выбросов вредных веществ транспортными потоками на УДС (1995);

- разработке "Транспортной экологической программы Юго-Восточного административного округа г. Москвы" (1935); '•

разработке блока "Транспорт" программного комплекса ZONE, версия 3, разработанного АО "ЛенЭкоСофт" для оценки концентраций загрязняющих веществ в атмосфере 'крупных городов (1995).

Отдельные положения диссертационной работы использованы при выполнении проекта европейского сотрудничества в области научно технического прогресса C0ST-319 "Оценка распространения в воздухе автомобильных выбросов", в лекционном курсе ШДй (ТУ) "Основы промышленно-транспортной экологии", дипломном проектировании по • кафедре "Автотракторные двигатели", а также включены в учебник "Двигатели внутреннего сгорания. Кв. 3. Компьютерный практикум",

Апробашя работы. Результаты выполненных по теме диссертации исследований обсуждены к одобрены на заседании Научного совета РАН по проблемам транспорта (1994, март), трех - Всероссийских научных конференциях РАН по проблемам транспорта (1692, 1933, 1994), Международной конференции "Эргономика в России, СНГ и мире. Опыт и перспективы" (СПб, 1393), Мезхдународном семинаре во промышленным отходам (Москва, 1992), Научно-методическом семинаре "Новые методы оценки'загрязнения атмосферы городов, промышленных зон и его влияния на здоровье населения" (СПб, май 1995), Всесоюзной научной конференции "Проблем совершенствования процессов в ЛВС" (Москва, I.iAШ, 1986), Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы энергетики транспорта"' (Москва, 1988), Научно-техническом семинаре "Улучшение экологических характеристик' автомобилей и тракторов" (Дмитров, НЩИАМТ, 1989), научной конференции по экологии (Москва,

Ш, 1995), научно-технических конференциях МАЛИ (1979-1995), научном семинаре НИК автомобильного транспорта к дородного хозяйства при министерстве транспорта ФРГ (Bereisen Gladbach, BASt, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 монографии, 46 печатных труда в научных журналах и сборниках, 4 авторских свидетельства к 24 научно-технических отчета-(1978-1396).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 355 страниц в том числе 238 страниц основного текста, 59 страниц с иллюстрациями, 25 страниц с таблицами, 27 страниц цитируемой литературы из 252 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается необходимость комплексного изучения и моделирования процессов знерго- и массопреобразований при взаимодействии ЭУ с ОС на уровне одиночных АТС, транспортных потоков и парков машв.

В этом случае возиолено: полнее учесть влияние условий эксплуатации на нагрузочно-скоростные режимы работы двигателей и на этой основе обосновать .экологические нормативы, в виде вначений измерителей групповых свойств; оценить экологические характеристики ЭУ; сформировать парк ЭУ региона с учетом экологических ограничений.

В первой главе рассматриваются особенности моделирования процессов образования■и распространения в атмосфере вредных выбросов, потребления природных ресурсов, происходящих в ЖЦ Ш на уровне одиночных АТС, транспортных потоков, парков машин и системы АТК-ОС, а также формирования требований к автомобильным ЭУ, методы оценки измерителен одиночных показателей и групповых свойств, отражающих эти требования в конструкции.

Рассматривается вклад в развитие отдельных теоретических и инженерно-практических вопросов, который внесли отечественные, зарубежные ученые и специалисты.

. Выполненный анализ процессов взаимодействия ЭУ с ОС и методов их моделирования позволил сделать следующие выводы:

1. Взаимодействие парка АТС (ЗУ) с ОС проявляется в виде совершения транспортной работы, загрязнения ОС вредными веществами, истощения природных 'ресурсов, создания транспортного дискомфорта, 8

а также уничтожения генофонда биологических существ- при реализации перевозочного процесса.

Оценку уровня негативного воздействия ЗУ и реакции ОС на это воздействие целесообразно осуществлять в рамках лриродно-технической системы АТК-ОС. Принципы построения модели развития такой системы в пределах экологического допуска пока ке сформулированы.

2. Процессы загрязнения ОС и истощения природных ресурсов связаны с образованием и распространением в атмосфере .отработавших газов двигателей, расходом КЭМ в технологических процессах " изготовления, выполнения транспортной работы, проведения технического обслуживания, ремонта и утилизации ЭУ.

Между'тем; отсутствует комплексная методика, ' позволяющая обеспечить переход от удельных (на единицу времени) расходов КЭМ, концентраций вредных веществ в отработавших газах, а также в технологических процессах ЖЦ" двигателей к концентрациям автомобильных выбросов в атмосфере города (региона), выделяемых парком машин, состоящих из рассматриваемых объектов, а также к интегральным оценкам расходов материалов и выбросов парком.

Требуют совершенствования и отдельные методы моделирования процессов на уровне'одиночных АТС, транспортных потоков и парков.

Процессы энерго- _ и кассопреобразозаний в элементах Щ ЭУ, описываемые в литературе, не сведены в одной методике и не доведены до интегральных оценок в жизненных циклах 37 разных марок АТС на пробеге до списания.

3. Номенклатура и методы оценки измерителей одиночных показателей, эксплуатационных (групповых) свойств ЭУ не в полной мере характеризуют процессы взаимодействия ЭУ с ОЙ.

. Существующие методы опенки обобщенных измерителей загрязнения ОС вредными веществами, истощения природных ресурсов учитывают выбросы, расход КЭМ лишь при выполнении транспортной работы, а не на протяжении всего ЖЦ ЭУ.

Не сформирован и интегральный критерий (экологическая характеристика) оценки конструкции, автомобильной ЭУ, учитывающий все основные аспекты взаимодействия с ОС.

4. Отсутствует .методика формирования варка ЗУ с негативны).! воздействием на ОС не выше допустимого.

На основании изложенного сформулирована цель и задачи работы.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы моделирова-

9

ния взаимодействия энергоустановок: с ОС в системе АТК-ОС, где происходят процессы знерго- и массспреобразований, вызванные тепловыми потерями, образованием, распространением и трансформацией в атмосфере автомобильных выбросов, рассеиванием металлов в ОС.

Зги процессы описываются методами неравновесной термодинамики с помошью дифференциальных уравнений сохранения массы вещества, количества движения, внутренней энергии.

В системе происходят и экологические процессы, связанные с накоплением компенсационных и восстанавливающих свойств среды. Поэтому при развитии системы изменяется ее антропогенное состояние, выражаемое в виде n-мерного вектора £j=(ejt.....е i j.....enj).

Множество экологических ситуаций С -ici, £2________системы мокно разбить на непересекающиеся подмножества Рм и Ом -Р<Р1, -Р2,..-Рд.---Рг>, Qiqi,q2,---Qj,■--Qs> такие, что r-t-s=N. Подмножество Рм удовлетворяет, а подмножество Ом не удовлетворяет экологическим нормам СецЗ, т.е. Рм - (е<[£н]), 0« - (е>Свя]).

Для реализации алгоритма экологически приемлемого развития системы необходимо найти такое решающее празило ф(Ё) , с помощью которого каждому вектору Sj ставится в соответствие некоторая величина антропогенного изменения Лёд, т.е.

9 (S) = Û£j= Д •Xei'*«! " Ае, (1)

где Xei - координаты вектора s, принимающие значения 0 или 1, ; «i - весовые координаты; ûs- пороговое значение вектора s (отвечающее заданному экологическому допуску). •

Экологически благоприятное взаимодействие ЗУ с ¿С определяется по принадлежности экологических ситуаций £j в системе АТК-ОС тому или иному подмножеству ■ с помощью функционала

"г 1, если £3- 6 Рм (ûëj > 0) ; = Sign 5>(fd)={ ' . (2)

v 0, если sj 6 Qm (ÛEj < 0)

Рассмотрены варианты организации алгоритмов развития, определяющих положение щ (I) так, что выполняется условие (2). При этом в качестве экологического допуска используются нормы - предельно. допустимые концентрации (1Щ) вредных веществ в атмосфере.

Задача управления развитием системы заключается в том, чтобы свести к минимуму эксергетические потери в процессе-взаимодействия

ЭУ с ОС и удержать значения измерителей групповых свойств объектов в пределах нормированных экологических допусков Дэ1 с помощью организационных, инженерно-технических и других мёр воздействия.

Такая постановка предполагает рассмотрение локальных.процессов энерго- и массопреобразований в системе, разработку методов их моделирования и опенок. -

Б третьей главе изложены особенности -комплексной методики моделирования процессов энерго- и массопреобразований в Щ автомобильных ЗУ на уровне одиночных АТС, транспортных штоков и парков машин (см. рис. 1), оценки измерителей групповых свойств, учитывающих эти процессы, с использованием которых формируется экологическая характеристика ЭУ.

Расход топлиза, концентрации. вредных веществ двигателей на моторном стенде в стацион. условиях

Имитационная модель движений АТС а транспортном потоке на' участках УДС

4Г/Ы

Удельные выброси и рясход топлива в отдельных Фезвх дай жения АТС У»«СОП8*

ХОЛ. ХОД •

Пробегов»« выбросы м | расход -топлива ЭУ АТС в ездовых циклах по ГОСТ-20306

Гидродкнами- [ !| чэскяя модель | движения тран-'| |спортных лото- | | ков «а УДС ( {крупного города|

I

}

•Погонные выбросы •и расходы топливе •с о® окупи. ЗУ в потоке на • перегонах и а узлах

«г*«.

Погонные выбросы м расходы топлива транспорт

НЫНИ П0Т1>

качи на

УДС крупного гор

Удельные выбросы и расходы КЗМ в других этапах ХЦ ЭУ Щ.Г/Щ \

Рис. 1, Блок-схема комплексной методики моделирования процессов энерго- и массопреобразований между энергоустановками и ОС

Количественная оценка .измерителей групповых свойств ЭУ на уровне одиночных АТС (помехи двиленшэ отсутствуют) в виде удельных расходов топлива и выбросов СО2, СО, СхНу, N0*. твердых частиц, соединений свинца, с отработавшими газами.двигателей в разных фазах движения АТС, при движении в ездовых циклах производилась с использованием алгоритма, в основе которого решение дифференциаль-

11

ного. уравнения движения АТС и оценка текущих, интегральных значений расхода топлива и выбросов вредных веществ на основании определения нагрузочко-скоростных режимов работы двигателя, поиска концентраций вредных веществ и расхода топлива в поле многопара-метровой характеристики, полученной экспериментально.

В числе исходных данных ■ модели кроме многопараметровых характеристик двигателей с искровым зажиганием и дизелей, массо-габаритные показатели АТС, передаточные числа в трансмиссии, статический радиус колеса, коэффициент сопротивления качению и другие.

При формировании базы данных с ыногопараметровыми характеристиками двигателей вся исходная информация, приведенная в литературе, тестировалась с помощью специальных процедур.

Особенность разработанной методики заключается в том, что оценка удельных выбросов и расхода топлива ЭУ осуществлялись как в отдельных фазах двикения АТС (Va=const, разгон, замедление, режим холостого хода), так и в ездовых циклах, (по ГОСТ 20306-90) с учетом переключения передач, возможности разгона с заданным ускорением АТС или по внешней скоростной характеристике двигателя, влиянием неустановившихся режимов на величину выбросов зредных веще-ществ введением поправочных коэффициентов в текущие значения выбросов в период первых 2,5 с разгона... Значения коэффициентов коррекции СО, СХНУ, NOx бензиновых ЛВС приняты 1,95; 1,67 и 0,77; дизелей - 0,95; 1,95 и 1,09, а также 1,15 для сатси. Обоснование этих значений осуществлено с использованием литературных данных, а также результатов проведенных в BÁSt (ФРГ) с участием автора ходовых испытаний легкового АТС с бензиновым двигателем с регистрацией текущих значений концентраций компонентов в отработавших газах, расхода топлива, параметров движения АТС.

Математическая модель оценки пробеговых выбросов и расхода топлива ЭУ одиночных АТС является настраиваемой. Алгоритм настройки, оценки достоверности результатов заключается в следующем..

Установлена максимально возможная погрешность оценки расхода топлива и выбросов ЭУ легкового АТС при движении в городском ездовом цикле, исходя из-допустимых инструментальных и методических погрешностей определения исходных данных. .

Далее в результате расчетов по приведенной выше модели при наилучшем и наихудшем стечении обстоятельств (исходные данные принимают либо максимальные значения в установленных диапазонах, либо 12

- минимальные) установлены границы интервалов значений измерителей топливной экономичности и токсичности.

Эти значения сравнивались с экспериментальными оценками по каждой марке АТС и принималось решение о необходимости корректировки значений исходных данных в пределах допустимых отклонений, т.е. осуществлялась настройка модели.

В итоге обеслечизался требуемый уровень достоверности моделирования (см. таблицу 1).

Таблица 1

Значения пробеговых выбросов и расхода топлива ЭУ ЗАЗ-1102, г/)см

Наименование СО СхНу КОх Оз,л/100км

Государственные приемочные испытания** Долговременные контрольные испытания* 2,96-4,2 9,87-22,9 2,4-2,54 0,76-0,94 1,33-1,48 2,3-3,85 6,8-7,1

Результаты расчета 4,43-3,65 1,29-1,14 2,42-1,74 8,31-7,21

Данные: *) - ШЩИАМТ; **). - ПО ЗАЗ

О достоверности оценки пробеговых расходов топлива и выбросов ЭУ- АТС массой более 3,5 т можно косвенно судить по результатам сравнения удельных (на' единицу работы) выбросов вредных веществ по Правилу ЕЭК К49 (ОСТ 37.001.034-81) для дизелей. Аналогичные оцен- . га (по ОСТ 37.001.070-75), выполненные для бензиновых ЛВС таких АТС, также показывают удовлетворительную сходимость результатов.

На рис 2 приведены расчетные зависимости текущих значений Мэ, ^п, а тагае расхода топлива и выбросов от времени разгона легкового АТС по горизонтальному коссе, а также в режиме. Уа=сопз1 при разных скоростях движения..

Для сопоставления . влияния фаз разгона, замедления и движения АТС с Уа=сшЛ.на ирсбегсвые выбросы вредных веществ и расход топлива ЭУ использованы соотношения

к^азгон - '"'"'разгонОУа-сопгЪП) ' (3)

где 'а'л- удельный выброс 3-го вещества при разгоне АТС в диапазоне скоростей (0-1), замедлении в диапазоне скоростей (1-0) или при движении с постоянной скоростью 1.

а) б)

Рис. 2. Зависимости удельных выбросов вредных веществ и

расхода топлива ЗУ ЗАЗ-1102 от времени разгона (а) И ОТ СКОРОСТИ АТС ПРИ ДВИЖеНИИ С Уа=СОПБ1 (б)

С использованием данной методики и имеющихся з базе данных многопараметровых характеристик (с изолиниями концентраций и расходов топлива) выполнены оценки выбросов и расходов- топлива в отдельных -фазах движения и городских ездовых циклах (ГОСТ 203Q6-g0) 76 марок ЭУ АТС отечественного и зарубежного производства, составляющих автомобильный парк»России.

Эти объекты были объеденены согласно классификации ЕС в 24 группы, для каждой из которых установлены средневзвеиенные (с учетом численности каддой марки АТС, входящей в группу) значения расходов топлива и выбросов в отдельных фазах движения АТС.

Группировка осуществлена по: назначению АТС (пассажирские -'А, грузовые N); полной массе Е1 - < 2,5 (3,5) т пассажирских (грузовых); 2- 2,5-5 (3,5-12,0) т; 3 - > 5,0 (12) тЗ; топливу (бензиновые- В, дизельные- D, газовые- СНГ (СНГ), газодизельные-ГД).

В таблице 2 приведены значения коэффициентов kw отдельных групп ЭУ в разных фазах движения и диапазонах скоростей.

Таблица 2

Значения к* разных групп ЭУ при разгоне (замедлении) АТС (фрагмент)

ava Группа Разгон Замедление

юл/ч ЭУ Us ЛЮ СхНу NUX Тв.ч. Us си ОхНу Щс Тв.ч

20 ВМ1 6,1 13.1 5,2 13,2 - 0,2 0,3 0,3 ОД -

DM1 3,0 0,9 1.5 .0.7 26,2- 0,3 0.2 0,2 о л • 0,51

ВМЗ 5,3 16,9 5,6 6,3 - 0,2 0,2 0.3 0,04 -

DM3 4,0 1.3 1.5 5.6 18,2 0,2 0,2 Я'?, ОД 0,22

40 ВМ1 V,y 30,4 6, У П;Б - 0,1 одз и. 03 -

/ DM1 5,6 2,6 5,1 2,1 49,9 ол 0,11 0,16 0,07 0,31

ВМЗ 3,1 11,0 3,7 2,2 - 0,1 0,13 0,21 0,01 -

. DM3 2.4 1,4 1.3 2',4 10,6 0,04 0,11 0,06 0,03 0,06

01) ЪМ1 4.1 17,а 3,7 6,0 - иД U,bb U.Ob 0,01 -

DM1 3,8 2,6 3.1 1,3 23,0 0,06 0,07 0,09 0,03 0,10

ШЗ 2,0 6,5 2,9 0,7 - 0,07 0,08 0,16 0,01 -

DM3 1,5 1,3 0,7 1,3 6,2 0,02 0,09 0,03 0,01 0,02

Отмечается, что наиболее существенно в режиме разгона возрас-'зот удельные выбросы СО, а такке ?чтОх бензиновых 37, причем с уве-ичением литража двигателя значения коэффициентов к*разгон снияа-■гса. Расход топлива и выбросы С^Ну яри разгоне также возрастают в 3,5 - 7,9 раза). Для дизельных 37 наиболее существенно при раз-оне возрастают удельные выбросы твердых -частиц (сада), а также асход топлива. В реяиме замедления значения измерителей снижаются 3-10 и более раз для всех групп ЗУ.

Количественная оценка процессов энерго-и массопреобразований на уровне транспортных потоков (учитываются помехи движению одиночных АТС) в виде погонных (на единицу пути в единицу времени) расходов топлива и выбросов совокупностью ЭУ производилась о- использованием методики, в основе которой имитационная модель движения АТС в составе транспортного потока на участке дороги.

В имитационной модели транспортный поток представлен в виде пяти ситуационных подсистем, каждая из которых описывается схемой кусочно-непрерывного агрегата в виде условного марковского процесса с кусочно-непрерывными траекториями и переменной размерностью.

В процессе моделирования осуществлялась генерация АТС методом . Монте-Карло на участок дороги с интервалами появления автомобилей в виде случайной величины с экспоненциальным распределением.

С учетом дороишой обстановки по уравнению движения вычислялось ускорение, скорость, перемещение каждого-из 40-50 АТС, находящихся на участке дороги, его новая координата. По завершению времени моделирования оценивался состав, интенсивность, скорость потока, вероятность попадания разных ЗУ АТС в диапазоны скоростей.

С использованием этих данных, а также зависимостей пробеговых расходов топлива, выбросов ЭУ 24 групп от скорости АТС в режиме Уа=сопБ1 оценивались погонные выбросы и расходы топлива "совокупностью ЭУ в транспортном потоке на перегоне по формуле:

Ух1* = Е | Рк1*Мхиз, кг/(ч"Км) (5)

где У] - пробеговш выброс 3-го вещества (расход топлива), кг/км; Р1о - вероятность попадания к-ой группы АТС в 1-й диапазон скоростей движения потока; N - интенсивность потока, АТС/час.

Как показали результаты обработки полученных данных в диапазоне интенсивности потока 50-1200 АТС/час на полосу с числом легковых АТС от 50 до 95% для оценки погонных выбросов и расхода топлива по выражению (5) можно использовать зависимости вида

г Ал^ при Зга < 57, = { А^,1^ при 57.<3га<25£, КГДч'КМ) (6) ^ Дз31АГ*М ПРИ Бга >25%

где Ал.г.з1"' - коэффициенты регрессии, кг/АТС" км; 5га- численность грузовых АТС и автобусов в потоке, I; N - интенсивность потока на

перегоне, АТС/час.

Va Удельные выбросы веществ

- и расходы топлива совокуп-

i костью ЭУ в транспортном потоке в узле оценивались для схе-| да движения, приведенной на

-— рис. 3.

Кэамэд! txx Иразг. ItconstlВремя Бри условии, что в узел Н--Y-¥-+-И сходятся четыре перегона погонные выбросы, расход топлива Рис. 3. Схема режимов движения АТС определяются по формуле:

• в узле • ••

! kiiwxNyxtc + LyXk21w><% при Spa < 5Z

Yyw = { ki2WxNyXtc + LyXk22wxNy при 5Z<Sra<25Z, KT/4í (7) ki3WxNyxtc + Lyxk23Wx¡¡y ПРИ Sra > 25Z

где Ny - интенсивность потока в узле, АГС/ч ; кц.12. i3w> к21.2г. 23w - коэффициенты регрессии при оценке w-го параметра для стоящей и движущейся частей потока, кг/(АТС-ч) и кг/(АТС*км); tc -время горения запрещающего сигнала светофора, ч ; Ly - длина очереди перед перекрестком (зоны влияния перекрестка), гол. / В формуле (7) значения корректирующих множителей k2i.22.23w определены с использованием (3, 4) из выражения.....

к21, 22,23* = Ají. 2.3'V(i 4 к"Разгон + к^замедлУЗ. (8)

На рис. 4 приведены зависимости погонных выбросов СО и N0X транспортным потоком разного состава от интенсивности движения на перегона* и в узлах УДС крупного города.

Привязка погонных выбросов к конкретной УДС (известна интенсивность и состав потока на перегонах) произведена при условии, что она представляется в виде излучающего графа, состоящего из 331 вершины (узла) и 501 ребра (перегона), соединяющих две заданные вершины, различающихся числом волос движения. Каждая, вершина характеризуется координатами и списком ребер (см. ркс. 5).

Аналогичные оценки получены для СОг. ,СхИу. N0X, твердых частиц (сажи) и четырех видов моторного топлива, с использованием которых можно наглядно представить интенсивность выделения отдельных примесей транспортными потоками на всей УДС и отдельных ее участках.

NOx ,

кг/

M . KU 2

1

.0

СО,

кг/

Ч . к и 10

Перегоны

NOx,

к г/ ч 2

1

о СО,

к г / ч

20

10

Узлы (

/ / / "у

/ /■ / 'S // у

Л- л/

400 800 N, АТС/Ч 400 800 N, АТС/ч

Рис. 4. Зависимости_погонных выбросов от интенсивности потока

" """"........' ЗусыД)

95/0/5

wT.^ZJZ "и'ишшл ^аирииии их интенсивности потока вуалач и на перегонах (легковые/грузовые/автобусы, I) -- 50/40/10; ----- 75/20/5; 95/0/5

а)

б)

Рис. 5. Погонные выбросыСО совокупностью ЗУ на перегонах (а) и в узлах (б) опорной УЦС г. Москвы (час пик, май, 1994)

На уровне совокупности ЗУ источником загрязнения ОС и потребления полезных ископаемых (расхода КЭМ) являются не только транспортные потоки на УДС, но и технологические процессы изготовления, технического обслуживания, ремонта, • утилизации, производства КЗМ, используемых в ЖЦ ЗУ, оценка удельных (на единицу массы ЗУ или • расходуемого материала, пробега АТС) значений которых выполнялась юрмативно- статистическим методом.

На уровне парков машин процессы энерго- и массопреобразований 1арактеризуются концентрациями примесей в атмосфере и валовыми ¡ыбросами вредных веществ, объемом топлизопотребления парком ЗУ.

Для оценки концентраций примесей в атмосфере при наличии изучающего графа, в виде которого представлена УДС крупного города, i такие стационарных источни-m выбросов в технологичес-их процессах КЦ ЗУ использо-ались модели расчета турбу-еятной диффузии различной гепени сложности. Результаты ценки концентраций по упро-еяной модели распространения ыбро'сов, з ' основе 'которой ешекие численными методам! ифференциального уравнения иффузии при отсутствии ветра настройкой коэффициентов иффузии и поглощения по рэ-ультатам замеров концентрами примесей з воздухе на вы-эте 1,5 м приведены на рис. . Это относительные значения фере от парка ЭУ (час пик, май 1994) энцентраций КСо в атмосфере .п >5ПДК; а (2-5)ПЖ; - (1-2) ЦЦК;

Москвы ' от парка ЗУ 'ж (0,5-1)1ЩК; а <0,5ШДКМР] [1ЩКмр] = 3 мг/м3).

Валовые выбросы вредных веществ, объем топливопогребления арком ЭУ оценивались с учетом изменения численности и возрастной •.'. груктуры разных групп АТС, корректировки величин годовых пробеги, выбросов и расходов топлива в зависимости от срока службы.- ;

В основе соответствующей модели расчета решение дифференциального уравнения вида

.. c¡Na(t)/dt = (1 + axt)xwn - (1 + bxt)xAn, , (g)

где Na(t) "- численность юрка ЗУ АТС в год t; wn, ^n - параметры поставок АТС в парк и выбытия их из парка; a, b - коэффициенты, учитывающие переменность во времени параметров Vfn, Хп-

Валовые выбросы и объем топливопотребления ЗУ каждой возрастной группы, отдельных моделей'ЗУ и парка в ретроспективе (перспективе) определялись по формуле вида

Wj<Mq>панка » Ç £ Г ц.,^^} (t)xNai'(t)xLi (t), T . (10) .

i ill 14

где m т число моделей АТС в парке (го=62); к - число возрастных групп (к=20); Li(t) - годовой пробег АТС.

В четвертой главе приводится методика формирования экологической характеристики автомобильной ЗУ в виде- критерия экологической чистоты с использованием функции ценности Ф tü(Aj)3, которая характеризует искомый критерий в виде

\ = Ф »(Ак)] = cg.n (xik)qkeK - max . _ (И)

Здесь к - вариант ЗУ; Xik - относительные значения измерителей, с помощью которых представляются частные функции взаимодействия û; Ti - весовые (шкалирующие) коэффициенты, характеризуют ценностные соотношения между измерителями.

Установлено 1887 измерителей Xír одиночных показателей, входящих в 24 измерителя групповых свойств, составляющих 5 частных функций взаимодействия, объединяемых в интегральный измеритель и каждому из них присвоены индексы. Частные функции в виде обобщенных измерителей имеют индексы: 1000 (безопасность), 2000 (безвредность воздействия на ОС), 3000 (транспортный комфорт), 4000 (сох--ранение природных ресурсов), 5000 (транспортная эффективность).

Десять из 24 измерителей групповых свойств, весомость которых для ЗУ легковых и грузовых АТС превышает весомость остальных измерителей в 1,5-2 раза, характеризуют поточные процессы обмена энергией и веществом.Е Щ ЗУ.

Это расходы 12 групп КЭМ, загрязнение 15 видами примесей воздуха, воды, почвы, тепловыделение, энерго-, водо- и кислородопот-ребление, трудозатраты в ЖЦ ЗУ, оценка значений которых проводилась с использованием разработанных методов математического, имитационного моделирования.

Причем, на этапе выполнения транспортной работы учитывалось изменение пробеговых выбросов, расхода топлива и масла ЭУ (моделировалось движение 76 АТС в городских ездовых циклах по ГОСТ 20306-90) из-за нарушения регулировок и износа деталей цилинд-ро-поршневой группы по мере выработки ресурса двигателя.

На рис. 7 приведены результаты оценки выбросов СО в отдельных этапах ЖЦ типичного объекта - бензиновой ЭУ' ГАЗ-3307 на разных пробегах АТС до списания.

Рис. 7. Выбросы СО на этапах Щ бензиновой ЭУ ТАЗ-3307

Аналогичные оценки получены для всех рассматриваемых объектов.

Отмечается рост объемов потребления в Щ ЭУ КЭМ, энергозатрат, валовых выбросов вредных веществ с ростом массы ЭУ. Существенное влияние на величину потоков энергии и вещества оказывает вид топлива, моторесурс двигателя, периодичность смены эксплуатационных материалов. _

•Наибольшие объемы выбросов СОг, СО, СХНУ, М0Х, твердых частиц, БОг и энергозатрат отмечаются на этапе выполнения транспортной работы; несколько меньше - на этапе производства КЗМ, хотя для отдельных групп НУ по виду топлива возможны вариации.

Оценка значений остальных 14 групповых измерителей безопасности и транспортного комфорта осуществлена по результатам экспериментов, натурных наблюдений, нормативам с обработкой полученных массивов информации статистическими и экспертными методами.

С использованием полученных экспертным путем значений весомости отдельных измерителей, результатов количественных оценок групповых измерителей по формуле (11) установлены уровни экологической чистоты 27 вариантов конструкций существующих .и перспективных ЭУ, некоторые из которых приведены на рис. 8.

баллы

ИаАМ77 • ЛшШШ ЛиЛЗЭДССЛГ ЛиАЗ- АЗЛ*2Ш АДЛЮЙН АЗЛК- АЗМ-

шюги * гштсмг л«1д

Рис. 8. Уровни экологической чистоты ЭУ групп УЗ и М1 (Д, СНГ, СИГ - виды топлива; Ф - фильтр; ОВН - окислительно-восстановительная система нейтрализация отработавших газов)

В рассматриваемой шкале отношений, экологически более предпочтительной является ЭУ, у которой уровень экологической чистоты • 1 в сравнении с базой будет больше.

Установлено, что для ЭУ АТС групн М1, N1 возможно максимум в 3,5 раза увеличить уровень экологической чистоты, используя электропривод с Ла/З тяговой аккумуляторной батареей, а для ЗУ АТС МЗ -в 2,5 раза при использовании перспективного газового (СПГ) двигателя, конвертированного из дизеля с наддувом, при наличии окисли-

тельно-восстановительной СНОГ и топливных баллонов из пластмасс.

Установка СНОГ на находящиеся в автомобильном парке бензиновые и дизельные двигатели повышает уровень экологической чистоты ЗУ в 1,3 - 1,6 раза.

Использование газодизельного цикла в ЗУ групп N3 и МЗ приводит к увеличению уровня экологической чистоты лишь на 2,5%.

Уровень экологической чистоты ЗУ с газовыми (СНГ И СНГ) двигателями, конвертированными из находящихся в парке бензиновых ДВС, увеличивается по сравнению с базовыми модификациями на 16 - 40%, т.е. несколько меньше, чем при использовании СНОГ.

Si числу мероприятий, не требующих привлечения значительных средств для реализации, но приводящих к некоторому улучшению экологических характеристик, особенно газовых ЗУ, относится повышение возвратного потенциала части КЕМ в элементах ЗЩ ЗУ.

В пятой главе рассмотрены два пути формирования парков ЗУ с учетом экологических ограничений, предусматривающих непревыае-ние: а) валовых выбросов вредных веществ (объемов топливопотребле-ния) парком в определенный период времени; б) максимально разовых концентраций веществ, выбрасываемых парком ЗУ в атмосферу.

В первом случае, условие формирования парка ЗУ имеет вид:

W4(t) = Е £ mjik(t)xNik(t)xLikx!i RJik < ГО^КШозпЗ). г (12)

где Wj(t) - валовый зкброс j-ro вредного Еещества парком ЗУ в год t; Nik(t) - количество ЗУ в парке; w-jikit)1 - пробеговый выброс 3-го вещества (расход топлива), г/км; Lik(t) - пробег АТС; fl R^ik - произведение коэффициента влияния п факторов на выброс з-го вещества; ГО j^DftMosnJ) - допустимое значение валового выброса з-го вещества (объем топливопотребления) парком (экологический допуск).

Во втором случае парк ЗУ считается сформированным с заданным уровнем экологической ответственности, если в приземном слое атмосферы над всей контролируемой территорией выполняется условие:

- F{N(t).Idi(t).'Sn(t),inji|C(t).Van,Jfer.2s> < ЩДКЛЗ. (13)

где КзЬ - концентрация j-ro вещества в воздухе; N(t) - интенсивность транспортного потока; Idj(t) - интенсивность выброса j-ro вещества стационарными объектами ATK; Sn(t) - состав транспортного

23

потока; Xsr - природно-климатические факторы; 2s - протяженность к топография УДС; ЩДКз - предельно допустимая концентрация 5-го вещества в атмосфере (экологический допуск).

Решение задач оптимизации по условиям (12), (13) осуществлено при допущении постоянства провозных возможностей автомобильного парка, т.е. Nik(t)xLik = const.

Алгоритм формирования парка ЗУ по условию непревышения валовых выбросов включает: прогноз ,численности, структуры парка ЗУ по возрасту, виду топлива в рассматриваемый период времени; обоснование исходных данных с интенсивностями использования (годовых пробегов. отдельных групп АТС в каздой возрастной группе), пробеговых выбросов вредных веществ и расхода топлива ЭУ, оценку валовых выб-' росов вредных, веществ и объема топливопотребления парком, а также блок корректировки пробеговых .выбросов и расхода топлива отдельными группами ЗУ. Таким образом могут быть обоснованы экологические требования (ворш) пробеговых выбросов (расходов топлива) отдельных групп ЗУ АТС в существующем или прогнозируемом парке.

При прогнозировании., структуры парка ЭУ по виду топлива использовались методы многокритериальной оптимизации в детерминированной постановке и в условиях неопределенности. d

Установлено, что в заданный период времени условие (12) мохет быть выполнено по "основным 'компонента! выбросов (СОг, СО, СхНу, NOx, тверда частицам) . при росте численности парка в 3,5 раза и внедрении рассмотренных в работе долгосрочных мероприятий по повышению уровня экологической чистоты автомобильных ЭУ.

Исследования показали, что нормируемые на 1994 год значения пробеговых выбросов ГОХ. ixHy в США для легковых АТС с бензиновыми двигателями в 2 раза меньше значений, которые ожидается в России на 2010 год для дачных объектов при формировании оптимального варианта автомобильного перка- Для дизельных ЭУ легковых АТС значения пробеговых выбросов "всех нормируемых компонентов отработавших газов (США-94) в 2-S раз меньше прогнозных значений пробеговых. выбросов данной группы ЭУ в парке России на 2010 год. Отсюда следует, что для отечественного автомобильного парка как в настоящее время, так'и на-перспективу-нет необходимости автоматически пере-

У

носить значения норм выбросов, принятых в других странах.

. Представляется, что. методику формирования парка ЭУ по условию непревышения валовых выбросов в какой-либо предшествующий период 24

целесообразно использовать при выполнении долгосрочных прогнозов развития автотранспортного комплекса государства (региона).

Алгоритм формирования парка ЗУ крупного города по условию непревышения ГЩК вредных веществ по условию (13) предусматривает ■ оценку удельных выбросов в технологических процессах Щ ЗУ и от ЗУ одиночных АТС (тик) в отдельных фазах движения АТС; выбросов в атмосферу з-го вещества транспортными потоками на УДС, а также концентраций з-го вещества в атмосфере, выделяемых в ЯЦ ЗУ и сравнение их с ВДК (экологическим допуском).

В случае, когда по какому-либо загрязняющему веществу невозможно выполнить условие (13), определяют относительный уровень экологической чистоты парка ЗУ по формуле "

ф = лсю^шшмрЗ) ^<шдшмрз - шах. % - (14)

где ~ относительная площадь территории города, на ко-

торой концентрация з~го загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы не превышает Е1ЩмрЗ; Г - общая площадь территории.

В формуле (14) относительная площадь непревышения ЩЦКмр] определяется как .

' Гк^шлкэир] = Рвд<шдкг<р]/Р." ' (15)'

Для оценки концентраций примесей в воздухе при наличии излучающего вредные вещества графа УДС использована упрощенная модель распространения выбросов вредных веществ в атмосфере.

Формирование парка ЗУ с учетом экологических ограничений (выполнение условия (13)) осуществлялось на примере г. Москвы путем изменения структуры парка по виду используемого топлива,1 а также оснащения СНОГ всех ЭУ, 'находящихся в парке города. Эти мероприятия, как установлено в предыдущей главе, оказывают наибольшее влияние на экологические характеристики ЭУ и могут быть реализованы в относительно короткий период времени, т.е. в течение 5-7 лет.

В результате при установке на все ЭУ СНОГ и увеличение численности газовых ЭУ в.парке легковых АТС с 0,25 до 25%, грузовых -•с 2,5 до 52 X ¡(в т. -ч. газодизелей с 0,5 до 16%), автобусов - с 1 до 70 X условие (13) может быть выполнено только по СХНУ и твердым частица.! (рис. 9), а по СО и N0* площадь территории города,' над

которой концентрации в приземном сдое атмосферы не превышают [ПДКмрЗ лишь возрастут с 36 до 72X и с 38 до 42%. Т.е. сформировать парк с требуемым уровнем негативных - воздействий на ОС в данном временном интервале не удается.

Рис. 9. Распределение уровней загрязнения воздуха для базового (А) и наилучшего варианта (С) парка ЗУ г. Москвы

Для рассматриваемого примера относительный уровень экологической чистоты парка ЭУ путем введения указанных, мероприятий может возрасти не более, чем на 30%.

Заключение.

а, В диссертации представлена новая теория экологических-характеристик автомобильных энергоустановок, заключающаяся в разработке методологии комплексного анализа процессов взаимодействия ЗУ с ОС, происходящих.в системе АТК-ОС, в виде поточных процессов энерго- и массопреобразований при реализации 2Щ ЭУ с учетом ыаои-табного фактора (численности объектов), а также принципы управления развитием системы в пределах экологического допуска.

Речь идет не о замене единичного двигателя как сбъеста изучения совокупностью объектов, а о развитии положений теории на разнородный парк машин, которые -отличаясь друг от друга в сумме позволяет выявить предельно-допустимые уровни моторизации (автотранспортного освоения) территорий с учетом экологических ограничений, полнее учесть реальные условия эксплуатации при обосновании экологических требований (норм) к двигателям.

2. Разработана зюмплексная методика моделирования процессов энерго- и массопреобразованих между ЭУ и ОС на уровне отдельных объектов и совокупности машин, обеспечивающая переход от удельных (на единицу времени) расходов .эксплуатационных материалов, концентраций вредных вешеств- в отработавших газах двигателей"(в условиях стендовых испытаний на стационарных режимах), а также в технологических процессах их ЖЦ к концентрациям автомобильных выбросов в атмосфере крупного города, интегральным оценкам вазовых выбросов, объемов материалепотребления парком машин. .

Основные особенности методики заключаются в: а) учете влияния-на лробеговые выбросы и расходы топлива ЗУ одиночных АТС неустановившихся ре:кчмов работы двигателей,- износа цилиндро-поршневой группы, нарушения регулировок систем литания и зажигания, вида и качества топлива, систем нейтрализации "отработавших газов; ' '

б) учете влияния на натрузочно-скоростные режимы работы двигателей и, следовательно, зыбросн и расходы топлива-различных помех при движении одиночных А'ГС в составе транспортных потоков на перегонах и в узлах улично-дорожной сети;

в) рассмотрении УЛС города в виде графа, координатно :привязанного к площади территории, который выделяет'вредные вещества от совокупности ЗУ в транспортных потоках неравномерно по времени;

г) оценке процессов знерго- и массопреобразований.не только при движении на УДС, но и при изготовлении ЗУ, их техническом обслуживании и ремонте, а-также производстве КЭМ;

д) дифференциации возрастной структуры отдельных групп ЗУ в парке и изменении интенсивности использования АТС в зависимости от срока службы при оценке валовых выбросов и объемов тспливопотреб-ления парком ЗУ. .

Произведены оценки пробеговых (и в отдельных фазах движения)' ' расходов топлива, выбросов вреднах веществ 76 марок ЗУ, составляющих основу парка"России и отличающихся видом используемого тошга-

за, назначением АТС, их полной массой. Установлены значения удельных (на единицу массы ЭУ, двигателя, материала)и выполнены интегральные оценки объемов потребления отдельных групп КЭМ, выбросов вредных веществ в атмосферу и водную среду за период Щ 76 ЭУ с учетом интенсивности использования. Методом наименьших квадратов произведена обработка полученных массивов информации.

Установлены функциональные зависимости погонных . выбросов и расходов топлива совокупностью ЭУ в транспортном потоке на перегонах, и в узлах-УДС от интенсивности и состава потока.

Выполнены оценки концентраций (с построением изолиний на местности) автомобильных выбросов в атмосфере от транспортных потоков на УДС крупного города с использованием трех моделей распространения загрязняющих веществ разного уровня сложности.

3. Разработан алгоритм формирования и получены количественные оценки экологических характеристик (уровней экологической чистоты) существующих и перспективных конструкций автомобильных ЭУ при реализации их жизненных циклов в виде совокупности измерителей групповых свойств, отражающих процессы взаимодействия ЭУ с ОС.

Выполнена оценка влияния на уровень экологической чистоты (УЭЧ)' ЭУ качества моторного топлива, величины повторного использования КЭМ в ЖЦ, вида моторного топлива, (бензин, дизельное, газовое топливо, электроэнергия), различных СНОГ.

Установлено, что для ЭУ АТС групп М1, N1 возможно максимум в 3,5 раза увеличить УЭЧ, используя электропривод с Ha/S тяговой аккумуляторной батареек, а для ЭУ АТС МЗ - в 2,5 раза при использовании перспективного газового (СНГ) двигателя, конвергированного из дизеля с наддувом, при наличии окислительно-восстановительной СНОГ и топливных баллонов из пластмасс. ,

Установка СНОГ на находящиеся з автомобильном парке бензиновые и дизельные двигатели повышает УЭЧ ЭУ в 1,3- 1,6 раза. Использование газодизельного цикла в ЗУ групп КЗ и МЗ увеличивает УЭЧ только на 2,5£.

Уровень экологической чистоты ЭУ с газовыми (СНГ и СПГ) двигателями, конвертированными из находящихся в парке бензиновых двигателей, увеличивается по сравнению с базовыми модификациями на 16 - 40£, т.е. несколько меньше, чем при использовании СНОГ.

К числу мероприятий, не требующих привлечения значительных средств для реализации, но. приводящих к некоторому улучшению зко-

логических характеристик, особенно, газовых ЗУ, относится повышение возвратного потенциала части КЗМ в элементах ЗЩ ЗУ.

4. Разработана методика формирования парка ЭУ региона с учетом экологических ограничений, предусматривающая решение задач оптимизации (в том числе в условиях неопределенности)_при условии: непревышения валогых выбросов вредных веществ (объема топливопот-ребления) в базовом году, а также непревышения предельно допустимых концентраций компонентов автомобильных выбросов в атмосфере.

В результате выявлены пути формирования парка ЗУ определенной численности, структуры, технического уровня объектов при разработке долгосрочных и среднесрочных прогнозов развития АТК.

В первом случае (формирование парка России до 2010 года) условие сохранения валовых выбросов вредных веществ на уровне базового (1330 года) может быть выполнено при использовании рассмотренных в работе долгосрочных технических мероприятий.

Исследования показали, что нормируемые на 1994 год значения пробеговых выбросов N0*. С*Ну в США для легковых АТС с бензиновыми двигателями в 2 раза меньше значений, которые ожидаются в России на 2010 год для данных объектов (при формировании оптимального варианта автомобильного парка). Для дизельных ЭУ легковых АТС значения пробеговых выбросов всех нормируемых компонентов отработавших газов (США-94) в 2-8 раз меньше прогнозных значений пробеговых выбросов данной группы ЭУ в парке России на 2010 гсд. Отсща следует, что для отечественного автомобильного парка как в настоящее время, так и на перспективу нет необходимости автоматически пере-, носить значенга норм выбросов, принятых в других странах. ;

При формировании парка ЭУ крупного города (на примере г. Москвы) с учетом экологических ограничений на меньшем временном интервале (5-7 лет) (среднесрочное прогнозирование) условие допустимого негативного воздействия ЭУ на ОС при введении мероприятий по модернизации находящихся в автомобильном парке ЭУ (газификация и использование СНОГ) выполняется лишь для некоторых примесей (твердых частиц и углеводородов), но не для СО и К0Х.

Поэтому, наряду с рассматриваемыми в работе мероприятиями по повышению УЗЧ ЭУ, необходимо введение нормативно-правовых, организационно- экономических мер, обеспечивающих снижение'интенсивности использования АТС, регулирование их численности и т.д.

5. Практическое использование разработанных в диссертации ад-

горитмов и методик . заключалось в:

обосновании технических., требований к 21 виду ■ перспективных образцов автотранспортной техники, разрабатывавшихся в ГНТБ "Высо--коскоростной экологически чистый транспорт" (проект "ТТ-2000") и переданных в Миннауки РФ и головной организации - НАШ;

обосновании мероприятий по совершенствованию конструкций и технологий использования АТС, их ЗУ при разработке концепции Национальной программы "Транспорт России", • а также проекта Московской региональной комплексной экологической программы; •

разработке проекта нормативного документа (методических рекомендаций), определяющего величину и порядок взимания платежей за сверхнормативное загрязнение ОС. автомобильным транспортом и пере- . данного в Минприроды Р3>;

разработке алгоритмов и организации системы мониторинга загрязнения атмосферного воздуха в г. МоскЕе с учетом выбросов^вредных веществ транспортаыш потоками на улично-дорожной сети в соответствии с Постановлением Правительства г. Москвы N 860 -от 27.09.94 г. "О комплексной экологической программе Москвы".

разработке "Транспортной экологической программы Юго-Восточного административного округа г. Москвы" (использовалась'результаты оценки нробеговых выбросов и расходов топлива 18 марок ЗУ лег-, ковых АТС, '38 грузовых, 20 автобусов, а также выбросов""и расходов КЭМ в операциях ТО и ремонта ЗУ, при прогреве и маневрировании АТС на территории стоянок, зон обслуживания, .заправке топливом);

Содержание диссертации опубликовано в следующих основных научных трудах:

- Трофименко Ю.В. Обоснование типа силовой установки перспективных автотранспортных средств // Двнгателестроение. - 1988. - № 9. - с 40 - 44.

г

- Трофименко Ю.В. Уменьшение энергопотребления легковых автомобилей// Автомобильная промышленность.- 1988. - №9.- с. 12-13.

- Трофимеико Ю.В. Принципы формирования технического задания на "разработку конструкции двигателя в САПР / Повышение эффектив-кости работы автомобильных и тракторных двигателей. - М.: МАДК, 1988. - с. 11-14.

- Грофименко Ю.В. Дизели на легковых автомобилях // Автомобильная промышленность. - 1989. - № б.- с. 14-15.

- Трофименко Ю.В. Обоснование технических требований к энер-

гоустановкам перспективных автомобилей / Проблемы экологии, энергетики, безопасности транспорта. Результаты исследований, практика их Применения. - М.: Ш ИПТРАН, 1992. - с. 71-72.

- Трофименко Ю.В. Численность автомобильного парка России: состояние и перспективы // ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление. - 1993. - iS 11 - 12. - с. 25 - 28.

- Трофименко Ю.В. Проблемы выбора параметров энергоустановок автотранспортных средств на перспективу / Совершенстование мощ-ностных, экономических и экологических показателей ДВС. - Материалы 3 научно-практического семинара 25-27 мая 1993 г. - Владимир: ВТУ, 1994. - с. 52 - 54.

- Трофименко Ю.В. Оценка вгагада автомобильного транспорта в загрязнение атмосферного воздуха // ВИНИТИ. -Транспорт: наука, техника, управление. - 1995. - 16 6. - с. 5 - 14.

- Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Экологические воздействия автомобильных двигателей на асруясащун среду // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Автомобильный и городской транспорт. - 1993. - с. 1 - 136.

- Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Экологически чистая автомобильная энергоустановка: понятие и количественная оценка // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Автомобильный и городской транспорт. - 1994. -, с. 1 - 140. _ . . . .......

- Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Снижение экологических нагрузок на окружающую среду при работе автомобильного транспорта. // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Автомобильный и городской транспорт. - 1995. - 340 с. 1

- Лушла А.И., Трофименко Ю.В. Оценка потерь во внешнем нагревательном контуре двигателя Стерлинга / Автотракторные двигатели внутреннего сгорания. - М.: МАДИ, 1978. - с. 155-159.

.- Лушла А.И., Трофименко Ю.В. Выбор рациональных конструктивных соотношений и условий работы камеры сгорания двигателя Стирлинга // Двигатедестроение. - 1983. - К 11. - с. 7 - 10, 16.

- Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Оценка эксплуатационных свойств транспортного средства при установке разных типов двигателей / Рабочие процессы и конструкция автотракторных двигателей внутреннего сгорания. - М.: МАДИ, 1984. - с. 4 - 10.

Луканин В.Н., Трофименко"Ю.В. Методика оценки перспективности разных типов двигателей автотранспортных средств / Автомо-

Сильные и тракторные ДВС - М. : МАДИ, 1986. - с. 4 - 17.

- Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Перспективы снижения загрязнения атмоферного воздуха вредными выбросами автомобильных дизелей // ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление. - 1991. - № 7. -с. 15-21._

- Дербаромдикер А.Д., Трофименко Ю.В. Правовое' обеспечение экологической чистоты автотранспортных средств // Автомобильная промышленность. - 1992. - Ш 2. - с. 6-8.

Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Методика оценки уровня экологической безопасности АТС / Соверпенствование автомобильных и тракторных двигателей. - М. : МАДИ, 1992. - с. 9-17.

- Трофименко Ю.В., Ефремов А'.В.Фурсов С.Б. Упрощенная методика прогнозирования численности парка автотранспортных средств / Совершенствование автомобильных и тракторных двигателей. - М. : МАДИ, 1992. - с. 27 - 32.

- Луканин В.Н., Трофименко Ю.В.■ Проблемы выбора параметров технических средств автомобильного транспорта на перспективу /' Разработка и внедрение новых технологий на транспорте. - М. : Ш ИПТРАН, 1993. - с. 150-153. -

- Луканин В.Н., 'Трофименко Ю.В. Жизненный цикл автомобильных энергоустановок: потребление конструкционных и эксплуатационных материалов // ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление. -1994. - U S. - с. 47 - 56.

- Трофименко Ю.В., Шелмаков C.B. Оценка токсичности и топливной экономичности автотранспортных средств в ездовых циклах // ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление. - 1394. - të 3. - с. 56 - 63.

- Луканин В.Н., Дербаремдикер А.Д., Трофименко Ю.В. Разработка концепции и обоснование требований к транспортной технике в Федеральной программе "Транспорт России" / Параметры перспективных транспортных систем России:,. - М.: »й-ИПТРАН, 1994. - с. 102-103.

- Луканин В.Н., Трофименко Ю.В., Буслаез А.П. и др. Модель образования и распространения автомобильных выбросов в атмосферу крупного города (региона) / Научная конференция по проблемам экологии. - М.: ЫАДК, 1995. - с. 71 - 72.

- Трофименко Ю.В., Воронов Г.И., Скворцов М.Ю. Методы расчета загрязнения атмосферы крупных городов выбросами автотранспорта. -СПб.: Дейта, 1995. - 34 с.

32 / / é