автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Усовершенствование способа контроля выбросов твердых частиц от тепловозов

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені Володимира Даля

Полив’янчук Андрій Павлович

. /

У' УДК 629.4.018

УДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБУ КОНТРОЛЮ ВИКИДІВ ТВЕРДИХ ЧАСТИНОК ВІД ТЕПЛОВОЗІВ

05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Луганськ-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Дали Міністерства освіти і науки У країни

Науковий керівник

Офіційні опоненти:

Головна організація:

доктор технічних наук, професор Звонов Василь Олексійович,

Головний науковий співробітник відділу „Перспективні енергозберігаючі та еколого-інформаційні технології в автомобілебудуванні” ДНЦ РФ „НАМІ”

доктор технічних наук, професор Тартаковський Едуард Давидович, Харківська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри „Експлуатація та ремонт рухомого складу”

кандидат технічних наук Парсаданов Ігор Володимирович, Національний технічний університет „ХГП”, доцент кафедри „Двигуни внутрішнього згоряння”

Дніпропетровський націрнальний університет залізничного транспорту імені академіка

В. Лазаряна Міністерства транспорту України кафедра «Локомотиви», м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться « АІу)2004 р. о годині на засіданн спеціалізованої вченої ради 'Д 29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034 м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, корпус 1, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотец Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля за адресою 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий «ХА> к&’лїн# 2004 г.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. На сучасному етапі в залізничному транспорті вводиться новий зрмуємий екологічний показник - питомий викид твердих частинок (ТЧ) від :пловозу, який позначається у нормативних документах, як показник РТ (від mi. “particles” - частинки). Разом з іншими показниками токсичності відпра-іованих газів (ВГ) - питомими викидами газоподібних забруднюючих речовин іксидів азоту, монооксиду вуглецю та вуглеводнів), що мають позначення ASX, показник РТ починає вимірюватись в ході екологічних випробувань теп-звозів (ЕВТ). Міжнародною нормативно-правовою базою для проведення та-

іх випробувань являється стандарт ISO 8178. Згідно з вимогами цього станда-:у можлива реалізація способу прискореного виміру показника РТ (СПВ РТ), істосування якого дозволяє підвищити ефективність ЕВТ. Але, для того, щоб псористовувати у залізничному транспорті СПВ РТ необхідно вирішити ряд дач: 1) забезпечення потрібної точності даного способу; 2) оцінка доцільності ікористання СПВ РТ; 3) перевірка практичної придатності СПВ РТ.

Актуальність теми. Контроль викидів ТЧ від тепловозів сьогодні прово-іться зі швидкістю виміру показника РТ, суттєво меншою, ніж швидкість ви-ірювань показників GASX. В наслідок цього, з введенням РТ в ряд нормуємих личин суттєво зростають витрати часу і палива на проведення екологічних 'пробувань рухомого складу: сертифікаційних (в ході яких вимірюються тільки личини, які нормуються - GASX і РТ) -відповідно, в 1,2...1,5 та в 1,1...1,4 ра-і; дослідницьких (в ході яких вимірюються масові викиди забруднюючих ре-івин на різних режимах випробувань та величини GASX і РТ) - в 2,0...3,0 та в

8...2,1 рази. З часом, по мірі підвищення жорсткості екологічних норм на еко-ігічні показники локомотивів, швидкість виміру показника РТ буде знижува-ісь, а втрати часу та ресурсів на проведення ЕВТ - зростати. Розрахункові іслідження показують, що зі зменшенням рівнів викидів ТЧ від тепловозів на жні 10 % (порівняно з рівнями викидів ТЧ, які існують сьогодні) зростають іиблизно в рівній мірі витрати часу та палива на проведення ЕВТ: сертифіка-йних - на 5...8%; дослідницьких - на 10... 12%. Вшцевикладене, а також та ставина, що ЕВТ проводяться регулярно та у великому обсязі, свідчать про , що підвищення ефективності таких випробувань є актуальним напрямком сліджень.

Особливо актуальна порушена в дисертації тема для вітчизняного заліз-ічного транспорту, в якому сучасний (гравіметричний) спосіб контролю вики-з ТЧ від тепловозів раніше не використовувався й з нормуванням показника ’ пов’язаний значний обсяг робіт. Так, при розробленні норм на питомі вики: ТЧ від тепловозів, які експлуатуються в Україні, для кожної серії тепловозів іє бути проведено оцінку фактичного рівня викидів ТЧ, яка передбачає прове-ння найбільш трудомістких і вартісних екологічних випробувань - дослідниках. Після введення норм на показник РТ дана величина буде вимірюватись в ді сертифікаційних, а також екологічних періодичних випробувань (ДСТУ .001-94), які розповсюджуються на весь інвентарний парк тепловозів Укрзалі-

зниці (3000 магістральних та маневрових тепловозів) й проводяться що найменш 4 рази впродовж строку експлуатації кожного тепловозу. Дисертаційні дослідження спрямовані на скорочення економічних витрат на виконання вказаних робіт. ■

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В дисертації відображені результати досліджень, які були проведенні в ході виконання держбгоджетної теми № ДН-26-02 “Теоретичні основи підвищення ефективності систем екологічного діагностування транспортних силових установок” (номер державної реєстрації 0102Ш02219), відповідальним виконавцем якої був автор роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності контролю викидів ТЧ від тепловозів, яке сприяє зниженню трудомісткості та вартості екологічних випробувань рухомого складу. Для досягнення цієї мети сформульовані та вирішені наступні задачі:

• аналіз можливості використання способу прискореного виміру питомого викиду ТЧ (СПВ РТ), як фактора, що підвищує ефективність екологічних випробувань рухомого складу;

• створення теоретичної бази для вирішення задач, пов’язаних з використанням СПВ РТ - комплексної математичної моделі процесу контролю викидії забруднюючих речовин від тепловозів;

• розробка експериментальних установок і методик проведення досліджень, спрямованих на уточнення комплексної математичної моделі процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів та вирішення задач пов’язаних з використанням СПВ РТ;

• проведення теоретичних та експериментальних досліджень, спрямованих н; вирішення задач, пов’язаних з використанням СПВ РТ;

• удосконалення способу контролю викидів ТЧ та методики вимірюваній показників токсичності ВГ тепловозів.

Об'єкт дослідження - процес контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів, який проводиться згідно з вимогами ставдарту ІБО 8178.

Предмет дослідження - ефективність способу прискореного виміру питомих викидів ТЧ від тепловозів.

Методи дослідження. При вирішенні задач дисертаційної роботи використовувались наступні наукові методи: при проведенні аналізу можливості використання у залізничному транспорті СПВ РТ- аналіз та синтез інформації при створенні комплексної математичної моделі процесу контролю викидів за бруднюючих речовин від тепловозів - математичне моделювання; при проведенні досліджень точності СПВ РТ і оцінки доцільності використання цьогс способу - розрахунковий експеримент; при експериментальному відпрацюванн СПВ РТ - натурні випробування.

Наукова новизна одержаних результатів:

■ удосконалено спосіб контролю ВИКИДІВ ТЧ від тепловозів шляхом введенн до алгоритму визначення питомого викиду ТЧ (показника РТ) операцій об числення та врахування методичної погрішності вимірювання даної величи

з

ни, що дозволяє використовувати в екологічних випробуваннях рухомого складу спосіб прискореного виміру показника РТ - СПВ РТ; вперше досліджено вплив швидкості виміру показника РТ на ефективність екологічних випробувань рухомого складу, що дозволило підтвердити доцільність використання в залізничному транспорті СПВ РТ; вперше встановлено емпіричні коефіцієнти, які характеризують вплив умов проведення випробувань тепловозів на точність вимірювань показника РТ та використовуються при обчислюванні методичної погрішності вимірювання даної величини;

вперше експериментально підтверджено відповідність вимогам стандарту ISO 8178 погрішності відгворюваності результатів вимірювань питомого викиду ТЧ від тепловозу, яка забезпечується СПВ РТ.

Практичне значення одержаних результатів: забезпечено потрібну точність СПВ РТ (найбільш ефективного при випробуваннях тепловозів способу контролю викидів ТЧ) шляхом врахувати методичної погрішності вимірювань показника РТ (може досягати 2,6...3,7 %); створено комплексну математичну модель процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів, за допомогою якої можуть визначатися: тривалість, витрати палива на проведення та вартість екологічних випробувань рухомого складу; параметри, які характеризують умови розбавлення ВГ тепловозного дизеля повітрям в системі відбору проб ТЧ; методична погрішність вимірювань показника РТ;

виготовлено: експериментальну установку, на базі якої можуть проводитись дослідження теплових процесів, що протікають в системах контролю викидів ТЧ від тепловозів; макетний зразок вимірювального комплексу з мікро-тунелем МКТ-1, який дозволяє визначати питомі викиди ТЧ від тепловозів різних серій;

розроблено методику прискореного виміру показників токсичності ВГ тепловозів, в результаті використання якої скорочуються приблизно в рівній мірі витрати часу та ресурсів на проведення екологічних випробувань: сертифікаційних - на 9...28 %, дослідницьких - на 43...53 %; зі зменшенням рівнів викидів ТЧ від тепловозів на кожні 10 % (порівняно з рівнями викидів ТЧ, існуючими сьогодні) наведені %-ні показники будуть збільшуватись в середньому на 2,5 абсолютних % (для обох типів випробувань); експериментально підтверджено практичну придатність СПВ РТ для вимірювання викидів ТЧ від тепловозів згідно з вимогами міжнародних та вітчизняних стандартів.

Особистий внесок здобувача: вивчено вимоги міжнародних та вітчизняних нормативно-правових документів до технічного оснащення, процедури та порядку проведення ЕВТ [25,11]; проаналізовано результати досліджень фірм-розробників систем контролю викидів ТЧ, спрямованих на забезпечення потрібної точності вимірювань показника РТ [6-8,12];

.-створено комплексну’ математичну модель процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів [1,9,10];

- ■ встановлено емпіричні коефіцієнти, які характеризують вплив умов прове-

дення випробувань тепловозів на точність вимірювань показника РТ [6];

- спроектовано, виготовлено та випробувано макетний зразок вимірювального комплексу з мікротунелем МКТ-1 [4,5] та експериментальну установку для досліджень процесу тепловіддачі на межі потік-стінка тунелю [9,10];

- проведено дослідження по забезпеченню потрібної точності вимірювань, оцінюванню доцільності використання та перевірці практичної придатності СПБ РТ [4,5];

- удосконалено спосіб контролю викидів ТЧ та методику вимірювань показників токсичності ВГ тепловозів [6].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації докладались на XI міжнародній науково-технічної конференції «Проблеми розвитку рейкового транспорту» (Крим, Ялта, 2001), науково-практичних конференціях: міжнародній «Міжрегіональні проблемі екологічної безпеки» (Суми, 2002), VI-й міжнародній «Університет и регіон» (Луганськ, 2000), регіональній «Екологія та безпека життєдіяльності. Інноваційні процеси в науці, технологіях та освіті» (Макіївка, 2001), а також на V-м і VI-m міжнародних конгресах двигунобудів-ників (Крим, Рибачьє, 2000 и 2001).

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень опубліковані в 12-ти друкованих роботах, з них: 2 - статті у наукових журналах, 9 - етапі в збірниках наукових праць та 1 - тези доповіді на науково-практичній конференції.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, додатків. Повний обсяг дисертації - 190 сторінок, в тому числі: 38 рисунків на 22 сторінках, 26 таблиць на 15 сторінках, 5 додатків на 27 сторінках, список використаних джерел з 105 найменувань на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі показано сущність та сучасний стан теми, що розглядається, обгрунтовано її актуальність; сформульовано мету та задачи дисертаційної роботи; визначено об’єкт, предмет і методологію досліджень; показані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.

Перший розділ присвячений вивченню встановленої стандартом ISC 8178 технології вимірювання показників токсичності ВГ тепловозів (GASX і РТ] та аналізу можливості використання в залізничному транспорті СПВ РТ.

При вивченні технології вимірювання показників GASX і РТ розглянуті такі питання: технічне оснащення, процедура та порядок проведення ЕВТ; особливості технології вимірювання показника РТ. В результаті розглядання указа них питань встановлено наступне.

Згідно з вимогами стандарту ISO 8178, ЕВТ проводяться на базі спеціа льного обладнання, до складу якого входять: реостатна установка, система від бору і аналізу проб газоподібних забруднюючих речовин та система контролк

асових викидів ТЧ - тунель. В тунелі здійснюється змішування ВГ тепловозу ювного потоку або його частки) з атмосферним повітрям у спеціальному тру-опроводі, з якого розбавленні ВГ відбираються в лінію відбору проб й пропус-їються через встановлені в ній пару фільтрів для збору ТЧ. В результаті порів-яльного аналізу різних типів тунелів на предмет можливості їх використання в ілізничному транспорті (по критеріям: вартість, мобільність, зручність у екс-луатації) встановлено, що системою контролю викидів ТЧ, яка найбільш від-овідає умовам випробувань тепловозів, є система розбавлення частки потоку Г з повнопоточною лінією відбору проб - мікротунель [4].

Процедура визначення показників токсичності ВГ тепловозів представляє збою випробувальний цикл, який складається з нормуємих режимів роботи те-ловозного дизеля. Міжнародною процедурою ЕВТ є 3-ступінчатий цикл 50 8178-Р, який складається з режимів: 1-й - номінальна потужність (КС(П0ГТ1)), -й - 35% від ^споп.) та 3-й - тепловозний холостий хід (НЄ(1<ііс)). Вітчизняний яалог даної процедури - 5-ступінчатий випробувальний цикл ДСТУ 32.001-94, Ю включає в себе режими: 1-й - Мс(пога), 2-й - 75% від Мс(пот), 3-й - 50% від ^пош), 4-й - 25% від Нс(пот) та 5-й - N^10- При виконанні вказаних випробува-ьних циклів враховуються реальні умови експлуатації тепловозів за допомо-)ю вагових факторів нормуємих режимів випробувань - WF (табл. 1).

Таблиця 1

Локомотивні випробувальні цикли ІБО 8178-Р і ДСТУ 32.001-94 та вагові фактори нормуємих режимів випробувань

Цикл ISO 8178-F ДСТУ 32.001-94

№ режиму 1 2 3 1 2 3 4 5

% ВІД Ne(nom) 100 35 ^e(idle) 100 75 50 25 ^c(idle)

Магіст. 0,06 0,13 0,11 0,10 0,60

WF Вивози. 0,25 0,15 0,60 0,25 0,03 0,03 0,02 0,67

Маневр 0,005 0,015 0,12 0,40 0,46

Примітка. В таблиці позначені: Магіст., Вивози., Маневр. - робота теп-з возу: магістральна, вивозна та маневрова, відповідно.

Процес контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів складаться з 2-х стадій: попереднього прогріву дизеля та послідовного виконання ви-робувального циклу. При виконанні циклу робота дизеля на кожному режимі апробувань складається з двох етапів: температурної стабілізації та відбору роб забруднюючих речовин для аналізу. При цьому відбір проб ТЧ може про-здитись двома методами: одиофільтровим (ОФ), при якому ТЧ відбираються з одну пару фільтрів протягом всього циклу, або многофільтровим (МФ), при ■сому ТЧ відбираються на одну пару фільтрів на кожному режимі випробувань

(ОФ метод використовується при проведенні сертифікаційних, а МФ метод -дослідницьких випробувань). При відборі проб ТЧ маси навішень ТЧ, що збираються на фільтрах за цикл - Мг (ОФ метод), або за режим - (МФ метод) повинні бути більшими, або рівними мінімально допустимим значенням цих величин - М51П]П) та МЕ(тш).

За результатами випробувань тепловозу по циклу розраховуються показники САБх та РТ, як відношення середніх за цикл масових викидів газоподібних забруднюючих речовин та ТЧ до середньої за цикл ефективної потужності дизеля.

Технологія вимірювань показника РТ має ряд особливостей:

- виникнення методичної погрішності вимірювань показника РТ - 5РТп'еаі унаслідок впливу на вимірюване значення показника РТ умов розбавлення ВГ повітрям в тунелі, які визначаються значеннями двох параметрів: температури розбавляючого повітря - ^ (може змінюватись в діапазоні 20 ... ЗО °С - припустимі значення) та максимальної температури проби розбавлених ВГ перед фільтрами - ^тах) (може змінюватись в діапазоні 48 ... 52 °С - значення, які реально використовуються) [4,7,12]; погрішність 5РТтеиі визначається, як відносне відхилення питомого викиду ТЧ, який був виміряний при фактичних значеннях температур їді і Іс(тах), від питомого викиду ТЧ, який був виміряний при оптимальних значеннях вказаних температур - ^¡іор1 = 25 °С та ІГСпіах)0рг = 50 °С;

- непряме обмеження тривалостей відбору проб ТЧ величинами МцтіП) та М(-і(ішл), а також швидкістю фільтрації проби розбавлених ВГ - яка може знаходитись в діапазоні 35 ... 80 см/с; невисокі швидкості фільтрації проби - 45 ... 60 см/с та підвищені значення мас навішень ТЧ - Мг = М^ = 3 мг, якими характеризується спосіб виміру показника РТ, що використовується сьогодні, є причиною низької швидкості вимірювань даної величини, а, в наслідок цього, й причиною зростання витрат часу та ресурсів на проведення ЕВТ [6];

- вплив на трудомісткість та вартість ЕВТ такого фактору, як зменшення рівнів викидів ТЧ унаслідок підвищення жорсткості норм на екологічні показники локомотивів: зі зменшенням рівнів викидів ТЧ зростають тривалості відбору проб ТЧ, що приводить до збільшення витрат часу і ресурсів на проведення випробувань; врахування впливу указаного фактору на ефективність ЕВТ зручно проводити за допомогою відносної величини РТ, яка визначається, як відношення початкового питомого викиду ТЧ, що відповідає моменту введення норм на показник РТ, до фактичного питомого викиду ТЧ, що відповідає моменту проведення випробувань.

В ході аналізу можливості використання в залізничному транспорті СПВ РТ розглянуті питання: параметри, що визначають СПВ РТ; особливості даного способу; невирішені задачі, пов’язані з використанням СПВ РТ, та шляхи їх розв’язання. В результаті розгляду вказаних питань встановлено наступне.

СПВ РТ забезпечує максимально допустиму стандартом ІБО 8178 швидкість вимірювань питомого викиду ТЧ від тепловозу та характеризується максимально допустимою швидкістю фільтрації проби розбавлених ВГ - \-кІІіах) = 80

:м/с і мінімально допустимими масами навішень ТЧ - М[-(гтП) = 1,3 мг та ^пСтіп)= 0,75 мг (при використанні фільтрів з діаметрамии 70 мм) (рис. 1).

Рис. 1. Значення параметрів Мг (Ми) і \'г, що відповідають СПВ РТ та способу виміру показника РТ, який використовується сьогодні

В результаті використання СПВ РТ скорочуються витрати часу на відбір троб ТЧ: при ОФ методі - в 3,1 ... 4,1 рази, при МФ методі - в 5,3 ... 7,1 рази, до дозволяє підвищити ефективність ЕВТ. Разом з цим, СПВ РТ має ряд особ-швостей, які необхідно враховувати при реалізації даного способу:

- зниження мас навішень ТЧ до значень МГ(тіл) та МГі(тіп) приводить до де-ікого зростання інструментальної - бРТ“^, а, в наслідок цього, і результуючої -ІРТГ погрішностей вимірювання показника РТ (погрішність 5РТГ визначається, ік сума величин оРТ11“1 та §РТгаеЛ; вона не повинна перевищувати свого макси-.іально допустимого значення - бРГ00 = 8,5%); у зв’язку з цим для забезпечення ютрібної точності СПВ РТ необхідно при реалізації цього способу враховувати іетодичну погрішність 5РТтеЛ;

- швидкість фільтрації проби розбавлених ВГ, яка відповідає СПВ РТ, за-іезпечується не всіма тунелями, які використовуються сьогодні; для того, щоб шкористовувати даний спосіб на базі тунелей, в яких не забезпечується швид-сість фільтрації проби Удтах), необхідно замінювати пробовідбірні насоси в лініях ¡ідбору проб таких систем; доцільність проведення таких замін повинна бути оці-іена;

- зростання погрішності 8РТШ8‘ (по вказаній вшце причині) приводить до ¡більшення погрішності відтворюваності результатів вимірювань показника РТ

■ 5РТ7, яка не повинна перевищувати свого максимально допустимого значення

5РТ'<а) = 8,5%; відповідність погрішності ЗРТ", яку забезпечує СПВ РТ, вста-ювленим вимогам повинно бути експериментально підтверджено.

З розгляду особливостей СПВ РТ слідує, що використання даного спосо-іу в залізничному транспорті може бути почато тільки після вирішення трьох іадач, які були вказані вище (див. с. 1). Для вирішення даних задач необхідно

провести дослідження по наступним напрямкам: вплив умов проведення випробувань на забезпечувану СПВ РТ точність вимірювань (для вирішення 1-ї задачі); вплив швидкості виміру показника РТ на ефективність ЕВТ (2-ї задачі); експериментальне відпрацювання СПВ РТ (3-ї задачі).

Другий розділ присвячено створенню теоретичної бази для вирішення задач, пов’язаних з використанням СПВ РТ. Такою теоретичною базою є комплексна математична модель процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів. Дана модель представляє собою систему алгебраїчних виражень, які пов’язують між собою параметри, що визначають умови проведення ЕВТ та швидкість виміру показника РТ, з показниками ефективності випробувань та погрішністю 5PTmeth_ При цьому в якості критеріїв ефективності ЕВТ виступають:

- абсолютна ефективність ЕВТ - Etest - 3-х мірний вектор, складовими якого являються середні значення (крапкові оцінки математичних очікувань)

абсолютних величин: тривалості (в год) - xtest, витрат палива на проведення (в

кг) - М“ та вартості (в грн) - Ctest випробувань;

- відносна ефективність ЕВТ - Etest - 3-х мірний вектор, складовими якого являються середні значення (крапкові оцінки математичних очікувань)

відносних величин: тривалості - xtest , витрат палива на проведення - та

вартості - Ctest випробувань, які дорівнюють відношенням складових показни-

Etest ... .

до відповідних тривалості, витрат палива на проведення та вартості процедури виміру показників GASX.

До складу комплексної математичної моделі процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів входять: математична модель процесу охолодження розбавлених ВГ тепловозу в тунелі - Si, математична модель впливу умов проведення випробувань на вимірюване значення показника РТ -S2 та математична модель формування складових ефективності ЕВТ - S3.

Математична модель Si призначена для визначення параметрів, які характеризують умови розбавлення ВГ повітрям в тунелі на нормуємих режимах випробувань: коефіцієнтів розбавлення ВГ - q; та температур проби розбавлених ВГ перед фільтрами - tti. Дана модель представляє собою систему двох рівнянь:

Л

q; =-

G

edf

rexhi

де і - індекс режима випробувань; Оєсіс- масова витрата розбавлених ВГ (кг/год) в еталонній (повнопоточній) системі контролю викидів ТЧ від тепловозів, яка

:арактеризуєгься діаметром та довжиною трубопроводу розбавлення ВГ - 1,2 м 12 м, відповідно; Сехы - масова витрата ВГ, кг/год; ^ - середньомасова темпе-іатура потоку розбавлених ВГ в початковому перетині трубопроводу розбав-іення ВГ еталонної системи, °С; Л^а-кт); - величина зменшення температури юзбавлених ВГ внаслідок теплопередачі через стінки трубопроводів тунелю та гінії відбору проб (визначається шляхом сумісного вирішення рівнянь теплово-

о балансу та теплопередачі, які описують процеси теплообміну з навколишнім ередовищем потоків розбавлених ВГ, що протікають в указаних трубопровода), °С; Лізаті - величина зменшення температури розбавлених ВГ, що протікають в лінії відбору проб, внаслідок теплових втрат на допоміжних елементах $ного трубопроводу: фланцях, трійниках, шарових кранах та ін. (визначається га основі припущення о пропорційності названих теплових втрат та кількості епла, яке підводиться з ВГ в тунель), °С.

Математична модель Б2 призначена для визначення погрішності 5РТшеіН. Іана модель представляє собою систему з п рівнянь для обчислення методич-(их погрішностей вимірювань масових викидів ТЧ на нормуємих режимах ви-

гробувань - бРТ™^ (п - число режимів) та рівняння для обчислення погріш-юсті 5РТп,е,ь:

я те.1, Kqi(qi-4iPt) + Ktri(tf,-tfiPt) Л

8РТГ =---------------—-----------—-------------ж 100%, і = 1, п

maSS1 l + Kqi(q°pt-qo) + Ktfj(t°pt-tf0) ’ ’ ’

5pTmeih = ¿(wp. ж КpTmassi X 5PTmassi ) i=l

[e Kqi, Ktf, - коефіцієнти, які враховують вплив параметрів q і tf на масовий ви-яд ТЧ, що вимірюється на і-му режимі; q0 = 17, tro = 45 °С - фіксовані значення іараметрів q і tf; q¡, tf, та q¡opt, tf,opí - парадіетри, які характеризують умови розбав-:ення ВГ при фактіиних та оптимальних значеннях температур td,i і tfjmax) (див.

• 6); KpTmassi = PTmassi / PTraass(m) - безрозмірні коефіцієнти, які характеризують плив масових викидів ТЧ, що відповідають нормуємим режимам випробувань -'Tmassi, на величину погрішності 5PTmeth (PTmassím) - середній за випробувальний (икл масовий викид ТЧ).

Вираження для визначення погрішностей бРТ,^^ отримано на основі налізу результатів експериментальних досліджень фірм AVL та Mitsubishi по цінюванню впливу умов розбавлення ВГ на структуру та вимірювані масові икиди ТЧ. Коефіцієнти КРТгаа53І залежать від типу тепловозного дизеля і пови-іні визначатися індивідуально для кожної серії тепловозів, що випробовуються.

Математична модель S3 призначена для визначення складових показників

;test та Etest і представляє собою систему трьох рівнянь:

• Ttcst = Theat + ^rnodc ^

. i=l

Mtest ' r'heat" heat , „ „mode I

fuel = Gfael + Ц°ШеІІ x т; , i=l

Ctest - X CfUel + koil X X Coil + xtest x ctest, J

де Theat - тривалість етапу попереднього прогріву тепловозного дизелю, год; T.mode - x.st + max{TisaraiGASx); iisam(PT'} - тривалість роботи дизеля на режимі випробувань, год (t,s1 - втрати часу на температурну стабілізацію дизеля, год; т;. $am(GASx) тривалість відбору проб газоподібних забруднюючих речовин, яка приймається рівною 0,05 год; t,!am(PT) - тривалість відбору проб ТЧ (год), яка визначається на основі даних о концентрації ТЧ в ВГ, умовах розбавлення ВГ та величинах Vf і Mf (або Mfl)); Gfuclheat - витрата палива на етапі попереднього прогріву дизеля, яка приймається рівною витраті палива на режимі Ne(idie> кг/год; Gm - витрата палива на режимі випробувань, кг/год; cfuei, с0ц - питомі вартості палива й масла, грн/кг ; Ctest - вартість 1 години роботи персоналу, грн/год; к^, -коефіцієнт, який дорівнює відношенню маси масла, що витрачається в ході випробувань, до маси витрачаємого палива.

Усі величини, які входять до системи (1), представляють собою середні значення вказаних параметрів, які визначаються по результатам серії спостережень. При цьому величини тЬеа1, тГ‘ та крд визначались на основі результатів реостатних випробувань тепловозів, які проводились в Холдінговій компанії “Лу-ганськтепловоз”, величини Cfuei, с0,і - на основі цін на паливно-мастильні матеріали, діючих на 12.01.2004 p., величина ctest - на основі окладів персоналу, що приймає участь у проведенні випробувань, штат якого встановлено ВНД

32.0.06.001-99. _____

Складові показника Е test обчислюються на основі вказаних вище визначень величин xtest , М** і Ctest ; при цьому тривалість, витрати палива на

проведення та вартість процедур виміру показників GASX визначаються за допомогою системи (1) при значенні параметру Timode = x,!t + T1sam(GASx).

В третьому розділі описано експериментальну базу для проведення досліджень, спрямованих на уточнення комплексної математичної моделі процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів та вирішення задач, пов’язаних з використанням СПВ РТ. Таку експериментальну базу становяяивтодика та експериментальна установка для проведення досліджень процесу тепловіддачі на межі потік розбавлених ВГ - стінка системи контролю викидів ТЧ від тепловозів; за допомогою даних методики та установки визначалось критеріальне рівняння, що описує тепловіддачу на межі потік-стінка тунелю, яке використовується в математичній моделі Si при визначенні коефіцієнту теплопередачі крізь стінку тунелю;

- макетний зразок вимірювального комплексу з мікротунелем МКТ-1 для контролю масових викидів ТЧ від тепловозів; на базі даного вимірювального комплексу проводились дослідження по перевірці адекватності математичної моделі Si, а також виконувалось експериментальне відпрацювання СПВ РТ;

- методики проведення досліджень, спрямованих на вирішення задач, пов’язаних з використанням СПВ РТ.

Методика досліджень процесу тепловіддачі на межі потік-стінка туне-чю призначена для визначення критеріального рівняння, що встановлює зв’язок між критерієм Нусельта - Nu, який характеризує тепловіддачу, та трьома газодинамічними параметрами потоку, що протікає в тунелі: критерієм Рейнольдса

- Re та безрозмірними коефіцієнтами Кт і kv, які враховують нерівномірність розподілу абсолютних температур та швидкостей нагрітого та холодного потоків (ВГ і повітря) у початковому перетині тунеля (факт впливу на величину Nu параметрів Re, Кт та kv встановлено шляхом складання математичного опису процесу тепловіддачі, що досліджується [9]). Згідно з методикою критеріальне рівняння тепловіддачі визначається у вигляді:

Nu = K-f(Re)-f(kT)-f(kv), (2)

де К - коефіцієнт; f(Re), f(kT) і f(kv) - функції однієї перемінної.

Вираження (2) визначається в ході експериментальних досліджень, які проводяться по збалансованому плану типа Латинський квадрат 4x4, яким передбачається вимірювання критерію Нусельта при різних поєднаннях параметрів Re, kT і kv. При цьому кожний з параметрів, що впливають на тепловіддачу, заріюється на 4-х рівнях, встановлених з врахуванням реальних умов протікання процесу розбавлення ВГ в системах контролю викидів ТЧ від тепловозів:

Re = 4000; 10000; 30000; 100000; kT = 1,28; 1,52; 1,76; 1,97; kv = 0,6; 1,4; 2,2; 3,0.

З метою реалізації вказаної методики розроблено експериментальну ;становку, яка представляє собою зменшену у 24 рази копію еталоної системи юнтролю викидів ТЧ від тепловозів. Установка дозволяє створювати в тунелі встановлені планом експерименту умови змішування нагрітого та холодного тотоків (які визначаються величинами параметрів Re, Кт і kv) та вимірювати зідповідні їм значення критерію Nu з використанням методу ентальпії [9,10]. Іри цьому замість ВГ в якості робочого тіла використовується натріте повітря.

Макетний зразок вимірювального комплексу з мікротунелем МКТ-1 ;проектовано, як систему контролю викидів ТЧ, що найбільш відповідає умовам троведення випробувань тепловозів [4,5]. До складу вимірювального комплексу 5ходять: мікротунель МКТ-1 та камера для стабілізації та зважування фільтрів. УІікротунель МКТ-1 (рис. 2) призначено для відбору частки потоку ВГ з вихло-тної системи тепловозного дизеля 1, розбавлення ВГ атмосферним повітрям в гунелі 3 та відбору проб ТЧ з розбавлених ВГ на фільтри, встановлені в лінії

відбору проб 4. При цьому газодувка, що створює витрату розбавлених ВГ в тунелі, одночасно виступає й пробовідбірним насосом. З метою забезпечення потрібних умов розбавлення ВГ в тунелі використовується система температурного регулювання з нагрівачем розбавляючого повітря.

вентиляції ф

Рис. 2. Система контролю викидів ТЧ від тепловозів - мікротунель МКТ-1:

1 - вихлопна система тепловозного дизеля;

2 -теплоізольований трубопровід подводу ВГ;

3 - мікротунель;

4 - лінія відбору проб.

Камера для стабілізації та зважування фільтрів призначена для проведення процедур стабілізації маси робочих фільтрів і їх зважування перед початком випробувань та після їх завершення. Температура й відносна вологість в камері підтримуються постійними в діапазонах 22±3 °С та 45±8 %, відповідно. Усередині камери встановлені аналітичні ваги (погрішність зважування ± 0,05 мг) та касета з робочими фільтрами (місткість - до 30 пар фільтрів).

Методика досліджень впливу умов проведення випробувань на забезпечувану СПБ РТ точність вимірювань передбачає виконання операцій:

- визначення інструментальної погрішності вимірювань показника РТ -бРТ““1, як погрішності результата непрямих вимірювань [8,12];

- визначення функціональної залежності 5PTracth = f(taa, t^maX)) в ході виконання 2-факторного розрахункового експерименту на базі моделей Si і S2;

- визначення умов розбавлення ВГ (тобто значень параметрів taa і tf(maX)), при яких при реалізації СПВ РТ повинна враховуватись погрішність 5РТшеШ; дана операція передбачає вирішення нерівності:

gpTmeth =f(tdibtf(max))>6PTmeth(a) = 5PTr(a) -SPTinst . (3)

де 5PTmcth(a), 6PTrta) - максимально припустимі значення методичної та результуючої погрішностей вимірювання показника РТ.

Методика досліджень впливу швидкості виміру показника РТ на ефективність ЕВТ передбачає виконання двох операцій:

1) порівняння способу виміру показника РТ, який використовується сьогодні (найбільш швидкісної його реалізації), називаного способом 1, та СПВ РТ, називаного способом 2 (див. рис. 1); в якості критеріїв порівняння вказаних способів виступають показники ефективності ЕВТ -EtestTa Etest ;

2) оцінка ступені підвищення ефективності ЕВТ в результаті використання СПВ РТ; в ході виконання цієї операції визначаються два показники:

- абсолютне підвищення ефективності ЕВТ - AE!est - 3-х мірний вектор, складовими якого являються середні значення (крапкові оцінки математичних

очікувань) абсолютних величин: економії часу (год) - Attest, економії палива (кг)

- та економічної ефективності (грн) - ACtest від заміни способу 1 на спосіб 2;

- відносне підвищення ефективності ЕВТ - AEtest - 3-х мірний вектор, складовими якого являються середні значення (крапкові оцінки математичних

очікувань) відносних величин: економії часу - Ахtest , економії палива - ДМ^

та економічної ефективності - ACtesl від заміни способу 1 на спосіб 2, виражені у процентах;

В ході виконання указаних операцій визначаються функціональні залежності складових показників Etest, Etest (для способів 1 і 2) та AEtest, AEfes1 від величини РТ (див. с. 6) та проводиться аналіз отриманих результатів.

Методика експериментального відпрацювання СПВ РТ передбачає виконання наступних операцій:

- проведення серії вимірювань питомого викиду ТЧ від тепловозу або силової установки, що імітує роботу тепловозного дизелю, з використанням СПВ РТ;

- обчислення погрішності відтворюваності результатів вимірювань показника РТ - 5PTV:

apt

5PTV = ————• 100%, (4)

PT(m)

де ДРТ = t(0i95,n-i)*SpT - ширина довірчого інтервалу виміряного значення показника РТ (t(0>95,n-i) - критерій Стьюдента при довірчій імовірності 0,95 та числі вимірів - n; SPT - середнє квадратичне відхилення результатів вимірювань), РТ(т) - середнєвиміряне значення питомого викиду ТЧ в серії вимірів;

- порівняння погрішності 5PTV з максимально допустимою величиною 5РТ'(а) (див. с. 7); на основі результатів порівняння робиться висновок о відповідності точності СПВ РТ вимогам стандарту ISO 8178.

У четвертому розділі представлені результати теоретичних та експериментальних досліджень, проведених по наступним напрямкам: 1) дослідження процесу тепловіддачі на межі потік-стінка тунелю; 2) перевірка адекватності математичної моделі Si; 3) визначення коефіцієнтів KpTmassf, 4) вплив умов проведення випробувань на забезпечувану СПВ РТ точність вимірювань; 5) вплив швидкості виміру показника РТ на ефективність ЕВТ; 6) експериментальне відпрацювання СПВ РТ (дослідження, що позначені нохмерами 1, 4-6, проводились згідно з однойменними методиками).

В результаті досліджень процесу тепловіддачі па межі потік-стінка тунелю визначено критеріальне рівняння, яке описує даний процес [9]:

Nu= 0,022 -Re0’67. (5)

В ході досліджень встановлено, що зміна параметрів кт і kv (в межах встановлених планом експерименту діапазонів варіювання даних величин) не оказує суттєвого впливу на тепловіддачу та при обчисленні кригерія Nu вказані коефіцієнти можна не враховувати (з погрішністю, що не перевищує ±3,5 %) [1,9]. Перевірка адекватності залежності (5) по крітерію Фішера підтвердила її відповідність експериментальним даним.

Дослідження по перевірці адекватності математичної моделі Si проводились на базі мікротунелю МКТ-1 в ході випробувань дизелю Д65М по локомотивному циклу ДСТУ 32.001-94. На кожному режимі роботи дизельної установки було визначено фактичні (вимірянні) - tr, та розрахункові (обчисленні за допомогою моделі Si) - tf,cal значення температури розбавлених ВГ перед фільтрами. Результати випробувань підтвердили адекватність моделі Si: обчислене на основі даних о величинах tf, та tf,cal значення критерію Фішера не перевищило табличного значення даної величини.

Значення коефіцієнтів Кртта.»і. ЩО відповідають нормуємим режимам міжнародного локомотивного циклу ISO 8178-F, визначались для вітчизняних тепловозів 2ТЭ116, 2ТЭ10У, ТЭМ-2 та ЧМЭ-3 за допомогою формули для обчислення вказаних коефіцієнтів (див. с. 9) на базі експериментальних даних о викидах ТЧ від тепловозів названих серій (табл. 2).

В якості вихідних даних для проведення досліджень впливу умов проведення випробувань на забезпечувану СПВ РТ точність вимірювань використовувались: результати екологічних випробувань магістрального - 2ТЭ116 та маневрового - ТЭМ-2 тепловозів; технічні характеристики діагностичного обладнання, яке використовується при проведенні реостатних випробувань в ХК “Лу-ганськгепловоз”; вимоги стандарту ISO 8178 що до точності вимірювань параметрів, по яким розраховується показник РТ. Дослідження показали, що при реалізації СПВ РТ умови розбавлення ВГ поділяються на дві області: область, в

кий величина 5РТтеЛ перевищує значення 5РТтк1Л) (тобто виконується нерів-іість (3)) і повинна враховуватись, та область, в який величиною ЗРТ"'*11 можна нехтувати (рис. 3). При цьому вказані області повинні визначатися індивідуаль-ю для кожної серії тепловозів.

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів Кртта35, які відповідають режимам циклу ІБО 8178-Р

Режим випробувань Значення Крттаїз Для різних серій тепловозів

2ТЭ116 2ТЭ10У ТЭМ-2 ЧМЭ-3

1 1,40 2,84 2,56 3,53

2 2,88 1,36 1,37 0,35

3 0,6 0,14 0,26 0,11

а) б)

Рис. 3. Залежності погрішності 5РТте* від параметрів ^¡і та Іктах) при випробуваннях тепловозів 2ТЭ116 (а) і ТЭМ-2 (б):

,2 — значення РТтеЛ(а) при сертифікаційних та дослідницьких випробуваннях.

Дослідження впливу швидкості виміру показника РТ на ефективність ВТ проводились на базі результатів екологічних випробувань тепловозів ТЭ116 і ТЭМ-2. В якості процедури випробувань розглядався цикл 150 8178-Р.

В результаті порівняній способів 1 і 2 (див. пояснення введених позна-ень на с. 13) встановлено дві переваги способу 2 над способом 1 (рис. 4):

- при початковому рівні викидів ТЧ (тобто при РТ = 1): на відміну від пособу 1, при застосуванні якого суттєво знижується ефективність ЕВТ, спосіб

2 дозволяє проводити виміри показника РТ з ефективністю ЕВТ, приблизно рівною ефективності процедури вимірювань показників СА5Х; ___________

- при зменшенні рівнів викидів ТЧ (тобто при збільшенні РТ): порівняно зі способом 1 спосіб 2 характеризується суттєво меншою ступінню зростання

параметрів х,С!ІІ, і С1ей, яка обумовлена збільшенням параметра РТ:

при сертифікаційних випробуваннях - в ЗД рази, дослідницьких - в 5,3 рази.

2Т3116,

ТЗМ-2

»test

ТЗМ-2 2T3116

Cfest

грн -600 400 200 0

2Т3116,

ТЗМ-2

ТЗМ-2

а)

2Т3116

test т?*“,

час - 1 2

6 10-

8- \\

4 А

6 ■ 1 У

2 4-

0- 2 • 0- TJv ■ і

/

/

5 \3J5

з РТ

б)

кг -S00 400 300 200 100 0

З РТ

Mlest- "•fuel“ S C lest ■ M ,,sl~ fuel ^ S^tesl cles*, грн ■ VI test lvl fuel’ КГ • 1000-

8 3 • 1200- 800 -

В 2 800 600 -

4 400-

2 1 400- 200-

0 0 0- 0-

З РТ

Рис. 4. Залежності складових показників Е1ей та Е1еЛ способів 1 і 2 від параметра РТ при сертифікаційних (а) та дослідницьких (б) випробуваннях:

1, 2, 3 - випробування тепловозу 2Т3116: використовується спосіб 1; використовується спосіб 2; вимірюються тільки показники вАБх, відповідно;

4, 5, 6 - випробування тепловозу ТЗМ-2: використовується спосіб 1; використовується спосіб 2; вимірюються тільки показники вАБх, відповідно.

з

Оцінка ступені підвищення ефективності ЕВТ від заміни способу 1 на посіб 2 показала, що складові показника AEtest - Attest, ДМ^ і ACtest при-

імають значення: при сертифікаційних випробуваннях - 0,2 ... 0,7 год, 25 ... 45

х та 35 ... 70 грн, що становить для кожної величини 9 ... 28 % від складових юказника Etest, які відповідають способу 1; при дослідницьких випробуваннях -,7 ... 3,0 год, 120 ... 225 кг та 160 ... 310 грн, що становить для кожної величии 43 ... 53 % від складових показника Etest, які відповідають способу 1; при збі-ьшенні параметра РТ, зі зростанням даної величини на кожну одиницю, значніш параметрів Artest, AMfucl і ACtest зростають додатково: при сертифікаційна випробуваннях - на 0,3 ... 0,7 год, 45 ... 55 кг та 70 ... 80 грн; при дослід-мцьких випробуваннях - на 1,7 ... 3,0 год, 115 ... 235 кгта 165 ... 315 грн.

Результати порівняння способів 1 і 2 та оцінки ступені підвищення ефек-ивності ЕВТ від заміни способу 1 на спосіб 2 свідчать про те, що використання ТЮ РТ в залізничному транспорті є доцільним.

Експериментальне відпрацювання СПВ РТ проводилось на базі дизельної становки Д65М з використанням мікротунелю МКТ-1. В ході відпрацювання еалізовані локомотивні випробувальні цикли ISO 8178-F і ДСТУ 32.001-94 та изначено погрішність 8PTV (по результатам 5-ти вимірів показника РТ в ході иконання циклу ISO 8178-F) (рис. 5).

N

«ві-

зо

20

10

0

рТ..«

г/год

15

10

S

0

N.M

• А -V.

ж РТ тіі*«(т)

т.

2 3

Режим циклу ISO 8178-F

а)

1 2 3 4 5

Режим циклу ДСТУ 32.001-94

б)

в)

'ис. 5. Результати експериментального відпрацювання СПВ РТ: виконання цик-:ів КО 8178-Р (а) та ДСТУ 32.001-94 (б); визначення погрішності 5РТ'Г (в)

Результати випробувань показали, що величина 8РТУ (обчислена за допо-югою вираження (4)) складає 7,2 %, що відповідає вимогам стандарту І БО 8178 а свідчить про практичну придатність СПВ РТ.

П’ятий розділ присвячено удосконаленню способу контролю викидів ТЧ а методики вимірювання показників токсичності ВГ тепловозів, а також розробці рекомендацій що до використання результатів дисертаційної роботи.

На базі результатів проведених досліджень удосконалено спосіб контрою викидів ТЧ від тепловозів шляхом введення до алгоритму визначення пито-[ого викиду ТЧ на стадії обробки результатів досліджень двох операцій:

- обчислення методичної погрішності вимірювань показника РТ - 5PTmeth;

- коректування виміряного значення питомого викиду ТЧ - PTmeas з врахуванням величини 5PTraetl1:

рТ* = pTmeas (1 + §pTmeth ; Ш0) ^ (6)

де РТ* - кінцевий результат вимірювань питомого викиду ТЧ.

В результаті виконанім указаних операцій результуюча погрішність вимірювань показника РТ зменшується на величину 5PTmeh (яка може досягати 2,6 ... 3,7 % (див. рис.З)), що забезпечує потрібну точність СПВ РТ при будь-яких допустимих стандартом ISO 8178 умовах проведення випробувань і дозволяє почати практичне використання даного способу.

В результаті удосконалення методики вимірювання показників токсичності ВГ тепловозів розроблено методику прискореного виміру показників GASX та РТ, яка дозволяє проводити ЕВТ з мінімальними витратами часу і ресурсів. Дана методика передбачає послідовне виконання трьох етапів проведення вимірювань:

- підготовка до проведення вимірювань: визначення параметрів, що характеризують фактичні та оптимальні умови розбавлення ВГ в тунелі - qlt tn та q,opt, tfiopt (використовується модель Si); визначення погрішності 5PTmelh та умов розбавлення ВГ, при яких при реалізації СПВ РТ дана погрішність повинна враховуватись (використовуються моделі S] та S2); визначення фактичних тривало-стей відбору проб ТЧ, що відповідають СПВ РТ (використовуються моделі Si та S3);

- проведення випробувань тепловозу по циклу з вимірюванням на кожному режимі параметрів, необхідних для обчислення показників GASX і РТ; при цьому тривалості відбору проб ТЧ повинні відповідати СПВ РТ, а розбавлення ВГ в тунелі повинно проводитись при одному з двох режимів розбавлення: фактичному або оптимальному;

- обробка результатів випробувань та обчислення показників GASX і РТ; при цьому кінцевий результат вимірювань питомого викиду ТЧ - РТ* обчислюється з врахуванням режиму розбавлення ВГ: при фактичному розбавленні, при якому повинна враховуватись погрішність 8PTmeth, величина РТ* визначається за допомогою вираження (6); при оптимальному розбавленні і фактичному розбавлені, при якому 5PTme:h можна не враховувати, величина РТ* приймається рівною питомому виквду ТЧ, виміряному в ході випробувань: РТ* = РТтеаз.

При виконанні даної методики рекомендується використовувати економічну та мобільну систему контролю викидів ТЧ мікротунель.

В результаті техніко-економічної оцінки описаної методики встановлено основні її достоїнства: широка галузь використання (локомотивні депо, тепловозобудівні та тепловозоремонтні заводи, науково-дослідні лабораторії), універсальність (можливість застосування при випробуваннях різних серій тепловозів, реалізація різних випробувальних процедур), висока ефективність. Так, при сучасному рівні викидів ТЧ сумарні економія часу, економія палива та

іасному рівні викидів ТЧ сумарні економія часу, економія палива та економічна їфеїсгивність від використання методики при діагностуванні всього інвентарно-о парку тепловозів Укрзалізниці (3000 тепловозів) складають: при проведенні :ертифікаційних випробувань - 1500 год, 105 000 кг, 165 000 грн; дослідницьких випробувань - 7500 год, 480 000 кг, 660 000 грн. З підвищенням жорсткості юрм на екологічні показники локомотивів ефективність методики зростає.

На основі результатів дисертаційних досліджень і робіт розроблено серію рекомендацій що до їх використання: у навчальному процесі (при проведенні іекційних, практичних та лабораторних занять по напрямку “Екологічні показ-шки локомотивів, техніка та технологія їх вимірювання”); в виробничій сфері :при розробленні промислових зразків систем контролю викидів ТЧ від тепло-зозів); в науково-дослідній сфері (при проведенні досліджень ефективності ЕВТ га точності вимірювань показників токсичності ВГ тепловозів); в галузі екологічної стандартизації та сертифікації залізничного транспорту (при проведенні неологічних випробувань та оцінюванні фактичних рівнів викидів ТЧ від тепловозів).

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної для залізничного гранспорту наукової задачі: підвищенню ефективності контролю викидів ТЧ від тепловозів, яке сприяє зниженню трудомісткості та вартості екологічних випро-5увань рухомого складу, що проводяться згідно з вимогами стандарту ISO 8178. Представлені в дисертації результати досліджень і робот, дозволяють зробити наступні висновки.

1. Удосконалено спосіб контролю викидів ТЧ від тепловозів шляхом введення до алгоритму визначення питомого викиду ТЧ (показника РТ) операцій обчислення та врахування методичної погрішності вимірювань даної величини -5РТтсЛ (може досягати 2,6 ... 3,7%). Це дозволяє підвищити точність контролю зикидів ТЧ і почати практичну реалізацію способу прискореного виміру питомого викиду ТЧ - СПВ РТ, який забезпечує максимально допустиму стандартом [SO 8178 швидкість вимірювань даного показника. Використання СПВ РТ :прияє зниженню витрат часу і матеріальних ресурсів на проведення екологічних випробувань тепловозів (ЕВТ) за рахунок скорочення тривалостей відбору іроб ТЧ: при проведенні сертифікаційних випробувань - в 3,1...4,1 рази; дослідницьких випробувань - в 5,3... 7,1 рази.

2. Створено комплексну математичну модель процесу контролю викидів іабрудшоючих речовин від тепловозів, яка дозволяє визначати: тривалість, зитрати палива на проведенім та вартість ЕВТ, а також погрішність 5PTmoth. При розробленні даної моделі було встановлено емпіричні коефіцієнти, які характеризують вплив умов проведення випробувань тепловозів на вимірюване значеная показника РТ та використовуються при оцінюванні точності вимірювань даної величини.

3. Розроблено обладнання: 1) експериментальну установку для досліджень процесу тепловіддачі на межі потік-стінка системи контролю викидів ТЧ від тепловозів (за допомогою цієї установки визначено критеріальне рівняння, що описує названий процес тепловіддачі); 2) макетний зразок вимірювального комплексу з мікротунелем МКТ-1, який дозволяє визначати питомі викиди ТЧ від тепловозів в ході сертифікаційних та дослідницьких випробувань.

4. Досліджено вплив умов проведення випробувань на забезпечувану СПВ РТ точність вимірювань. Дослідження показали, що при реалізації СПВ РТ існує дві області умов розбавлення ВГ: область, в якої необхідно враховувати погрішність 5PTmeth, та область, в якої даною погрішністю можна знехтувати. Кожна з указаних областей повинна визначатися згідно з розробленою автором методикою індивідуально для кожної серії тепловозів.

5. Проведено дослідження впливу швидкості виміру показника РТ на ефективність ЕВТ, які показали доцільність використання в залізничному транспорті СПВ РТ. Встановлено, що за одне випробування економія часу, економія палива та економічна ефективність від заміни способу виміру показника РТ, який використовується сьогодні, на СПВ РТ складають: при проведенні сертифікаційних випробувань - 9 ... 28 %, що становить 0,2 ... 0,7 год, 25 ... 45 кг та 35 ... 70 грн; при проведенні дослідницьких випробувань - 43 ... 53 %, що становить 1,7 ... 3,0 год, 120 ... 225 кгта 160 ... 310 грн. Зі зменшенням рівнів викидів ТЧ від тепловозів ефективність використання СПВ РТ зростає.

6. Проведено експериментальне відпрацювання СПВ РТ (на базі мікроту-нелю МКТ-1), яке підтвердило практичну придатність даного способу для реалізації локомотивних циклів ISO 8178-F та ДСТУ 32.001-94. Експериментально встановлено, що погрішність відгворюваності результатів вимірювань питомого викиду ТЧ, яка забезпечується СПВ РТ, дорівнює 7,2 %, що не перевищує максимально допустимого значення даної погрішності - 8,5 %.

7. На базі результатів проведених досліджень розроблено методику прискореного виміру показників токсичності ВГ тепловозів, використання якої дозволяє знизити виграти часу і ресурсів на проведення ЕВТ. Оцінка ефективності даної методики показує, що сумарні економія часу, економія палива та економічна ефективність від її використання при діагностуванні всього інвентарного парку тепловозів Укрзалізниці (3000 тепловозів) дорівнюють: при проведенні сертифікаційних випробувань - 1500 год, 105 000 кг, 165 000 грн; при проведенні дослідницьких випробувань - 7500 год, 480 000 кг, 660 000 грн. З підвищенням жорсткості норм на екологічні показники локомотивів ефективність методики зростає.

8. Результати проведених досліджень мають як теоретичне, так і прикладне значення. Вони можуть використовуватись у навчальному процесі, виробництві, науково-дослідній роботі, а також в галузі екологічної стандартизації та сертифікації залізничного транспорту. В теперішній час результати виконаних робіт впроваджені в навчальний процес кафедри „Екологія” СНУ ім. В. Даля та у виробництво - ХК «Луганськтепловоз».

СПИСОК ОПУБЛПСОВЛЇЇИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Звонов В. A., Поливянчук А.П., Ена Г.И., Львов C.A., Гусаков О.О. Оп-

ределение оптимальных условий разбавления отработавших газов дизельных двигателей воздухом в минитуннеле//Экотехнолопга и ресурсосбережение.-2001.-№3,-С. 69-74. ’

2. Звонов В. А., Поливянчук А.П. Определение условий, обеспечивающих изокинетический режим отбора отработавших газов из выхлопной трубы двигателя в минитуннеле // Экотехнологии и ресурсосбсрежеіше. -2000. -№6,- С. 62-64.

3. Поливянчук А.П. Экологическая диагностика тепловозов по показателю массовых выбросов в атмосферу дизельных твердых частиц // Вісн. Східноукр. держ. ун-ту. Серія: Транспорт. - Луганськ: СНУ, 2001. - № 7 (41). -С. 131-135.

4. Поливянчук А.П., Кузнецова Н.Я., Попов A.C. Повышение эффективности экологического диагностирования локомотивов по показателю массового выброса в атмосферу дизельных твердых частиц // Экология. Сб. научн. трудов Восточноукр. национ. ун-та и Познаньского технического ун-та. - Луганск: ВНУ, 2001.-№1.-С. 110-119.

5. Поливянчук А.П. Микротуннель для измерения массовых выбросов твердых частиц от дизельных двигателей локомотивов. // Авиационнокосмическая техника и технология. Тепловые двигатели и энергоустановки. Сб. науч. тр. /ХАИ. -X., 2001.-Вып. 26.-С. 195-198.

6. Поливянчук А.П. Повышение экономичности процедуры измерения средневзвешенного выброса твердых частиц от локомотива.// Межрегиональные проблемы экологической безопасности: труды международной научнопрактической конференции, том 3, 15-16 мая 2002 г.; Сумы-Санкт-Петербург / Под ред. Д.Э.Н., проф., акад. МАНЭБ А.М. Царенко и д.т.н., проф., акад. МАНЭБ Л.Г. Филатова. - Сумы: Изд-во «Слобожанщина», 2002. - С. 112-117.

7. Звонов В.А., Смирный М.Ф., Поливянчук А.П., Петренко А.Е., Корча-нова Ю.А. Исследование влияния условий разбавления отработавших газов двигателя в минитуннеле на точность определеіпія массовых выбросов твердых частиц. // Збірн. наук, праць Луганського державного аграрного ун-ту. Серія: Технічні науки. - Луганськ: ЛДАУ, 2001. -№ 10 (22). - С. 115-119.

8. Звонов В.А., Поливянчук А.П. Анализ влияния погрешностей измерений параметров частичнопоточной системы (минитуннеля) с изокинетическим пробоотборником на точность определения массовых выбросов твердых частиц дизелей. // Экология двигателя и автомобиля: Сб. научн. тр. / НАМИ. -М., 1998. -

С.63-75.

9. Поливянчук А.П., Ена Г.И. Исследование процесса теплоотдачи на границе поток-стенка туннеля в системе диагностики локомотива по показателю массовых выбросов в атмосферу твердых частиц // Экология. Сб. научн. трудов Восточноукр. национ. ун-та им. В. Даля и Познаньского технического ун-та. - Луганск: ВНУ, 2002. - № 2. - С. 96-108.

10. Звонов В.А., Поливянчук А.П., Ена Г.И., Львов С.А., Гусаков О.О. Исследование процессов теплоотдачи в системах (туннелях) для измерения массовых выбросов твердых частиц от дизельных двигателей // Вісн. Східноукр. держ. ун-ту. - Луганськ: СНУ, 2001. - № 6 (40). - С. 183-188.

11. Поливянчук А.П., Звонов В. А. Измерительный комплекс для определения массовых выбросов твердых частиц дизелей. // Авиационно-космическая техника и технология. Тепловые двигатели и энергоустановки. Сб. науч. тр. / ХАИ. -X., 2000. -Вып. 19,- С.478 - 481.

12. Поливянчук А.П., Кузнецова Н.Я. Повышение точности измерения массовых выбросов твердых частиц от дизельных двигателей // Тезисы докладов региональной научно-практ. конф. «Экология и безопасность жизнедеятельности: инновационные процессы в науке, технологиях и образовании». -Макеевка. - Донбасс, 2001. - Изд-во БГС,- С. 96-99.

АНОТАЦІЯ

Полив’янчук А.П. Удосконалення способу контролю викидів твердих частинок від тепловозів. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, м. Луганськ, 2004.

Робота присвячена підвищенню ефективності контролю викидів твердих частинок від тепловозів, яке сприяє зниженню трудомісткості та вартості екологічних випробувань рухомого складу, що проводяться згідно з вимогами стандарту ІБО 8178. В результаті проведених досліджень теоретично обгрунтовано доцільність використання в залізничному транспорті способу прискореного виміру питомих викидів твердих частинок від тепловозів, визначено умови проведення випробувань, при яких забезпечується потрібна точність цього способу, експериментально підтверджено його практичну придатність.

Розроблено методику прискореного виміру показників токсичності відпрацьованих газів тепловозів, використання якої дозволяє суттєво знизити витрати часу та палива на проведення випробувань.

Ключові слова: тепловоз, реостатна установка, відпрацьовані гази, тверді частинки, випробувальний цикл, розбавляючий тунель, прискорений вимір.

АННОТАЦИЯ

Поливянчук А.П. Совершенствование способа контроля выбросов твердых частиц от тепловозов. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, г. Луганск, 2004.

Работа посвящена повышению эффективности контроля выбросов твердых частиц от тепловозов, способствующему снижению трудоемкости и стой-

мости экологических испытаний подвижного состава, проводимых в соответствии с требованиями стандарта ISO 8178.

По причине низкой скорости замера удельного выброса твердых частиц от тепловоза - показателя РТ с началом нормирования данной величины возрастают затраты времени и топлива на проведение экологических испытаний тепловозов: сертификационных - соответственно, в 1,2...1,5 и в 1,1...1,4 раза; исследовательских - в 2,0...3,0 ив 1,8...2,1 раза.

Анализ возможности повышения эффективности контроля выбросов твердых частиц от тепловозов показал, что в рамках требований стандарта ISO 8178 возможна реализация способа ускоренного замера показателя РТ - СУЗ РТ, в результате применения которого сокращаются затраты времени и ресурсов на проведение испытаний за счет уменьшения продолжительностей отбора проб твердых частиц: при проведении сертификационных испытаний - в 3,1...4,1 раза; исследовательских испытаний - в 5,3...7,1 раза. Обоснована необходимость решения ряда задач, связанных с началом практической реализации СУЗ РТ: обеспечение требуемой точности, оценка целесообразности использования и проверка практической пригодности данного способа.

Создана теоретическая база для решения указанных задач - комплексная математическая модель процесса контроля выбросов загрязняющих веществ от тепловозов. С помощью данной модели могут определяться: методическая погрешность измерений показателя РТ - 6PTmcth (возникающая вследствие влияния условий проведения испытаний на измеряемые выбросы твердых частиц), а также временные, топливные и экономические затраты на проведение экологических испытаний тепловозов.

Разработаны экспериментальные установки: 1) испытательный стенд для исследований процесса теплоотдачи на границе поток-стенка системы контроля выбросов твердых.частиц от тепловозов (использовался с целью определения критериального уравнения, описывающего названный процесс теплоотдачи); 2) макетный образец измерительного комплекса с микротуннелем МКТ-1, позволяющий определять удельные выбросы твердых частиц от тепловозов.

Исследовано влияние условий проведения испытаний на обеспечиваемую СУЗ РТ точность измерений. В ходе исследований установлено, что при реализации данного способа необходимо определять (по разработанной автором методике) условия проведения испытаний, при которых должна учитываться погрешность 5РТтс . Проведены исследования влияния скорости замера показателя РТ на эффективность экологических испытаний тепловозов, которые показали целесообразность использования в железнодорожном транспорте СУЗ РТ. Установлено, что в результате применения данного способа сокращаются временные и материальные затраты на проведение испытаний: сертификационных - на 9 ... 28 %, исследовательских - на 43 ... 53 %. В перспективе, с уменьшением уровней выбросов твердых частиц от тепловозов эффективность применения СУЗ РТ будет возрастать. На базе микротуннеля МКТ-1 проведена экспериментальная отработка СУЗ РТ, подтвердившая практическую пригодность данного способа для реализации локомотивных циклов ISO 8178-F и

ГСТУ 32.001-94. Определенная опытным путем погрешность воспроизводимости результатов измерений, обеспечиваемая СУЗ РТ, составила 7,2 %, что не превышает максимально допустимого значения данной погрешности - 8,5 %. На основе результатов проведенных исследований усовершенствован способ контроля выбросов твердых частиц от тепловозов путем введения в алгоритм определения показателя РТ операций вычисления и учета погрешности 5PTmeth (может достигать 2,6 ... 3,7%). Это позволяет повысить точность контроля выбросов твердых частиц и начать практическую реализацию СУЗ РТ.

Разработана методика ускоренного замера показателей токсичности отработавших газов тепловозов. В результате применения данной методики при экологическом диагностировании всего инвентарного парка тепловозов Укрза-лизныци (3000 тепловозов) суммарные экономия времени, экономия топлива и экономическая эффективность составляют: при проведении сертификационных испытаний - 1500 час, 105 000 кг, 165 000 хрн; при проведении исследовательских испытаний - 7500 час, 480 000 кг, 660 000 грн. С ужесточением норм на экологические показатели локомотивов эффективность методики возрастает.

Ключевые слова: тепловоз, реостатная установка, отработавшие газы, твердые частицы, испытательный цикл, разбавляющий туннель, ускорений замер.

SUMMARY

Polivianchuk А.Р. Improving Control Efficiency Over Mass Emissions of Particles from Diesel Locomotives. - Manuscript. Thesis for a candidate of technical science degree by speciality 05.22.07 - Rolling stocks and train traction. East Ukrainian National University name of Vladimir Dal, Lugansk, 2004.

The work deals with the problem of improving control efficiency over mass emissions of particles from diesel locomotives. Efficient control leads to reduction of labor input and cost of ecological testing of rolling stork which is carried out in accordance with standard ISO 8178. The research has theoretically proved the expediency of the method of express specific measurement of mass particle emissions on the railroad. Testing conditions providing accuracy of measurement have been determined. Applicability of the method has been experimentally tested.

Procedure for express toxic measurement of exhaust from diesel locomotives which permits to reduce the period time and the amount of fuel necessary for testing has been developed.

Key words: locomotive diesel, rheostat bed, exhaust, particles, test cycle, dilution tunnel, express measurement.