СПОСОБ БОРЬБЫ С ГОЛОЛЕДОМ НА АВТОДОРОГАХ
METHOD OF STRUGGLING AGAINST ICE ON ROADS

Изобретение относится к области борьбы с гололедом на автодорогах, а именно придания шереховатости ледяным и снежным покрытиям.
Широко известен способ очистки дорожного полотна (ДП) автодорог от гололеда с использованием химических реагентов, когда очистка производится за счет эндотермической реакции реагентов с гололедными образованиями. Например, в способе по патенту РФ 2288935 (МПК C09K 3/18, опубл. 10.08.2006) и патенту РФ 2172331 (МПК C09K 3/18, опубл. 20.08.2001) использованы твердые солевые отходы магниевого производства в виде хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов. В патенте РФ 2280666 (МПК C09K 3/18, Е01Н 10/00, опубл. 27.07.2006) предложено использование натриевых солей органических кислот.
Недостатком химических способов является то, что экономические затраты на реагенты при больших протяженностях автодорог выливаются в значительные суммы. Кроме того, ухудшается экологическое состояние придорожных территорий, что приводит в преждевременному износу транспортных средств и канализационных систем.
Известен также ряд способов по удалению с ДП льда и снега с помощью нагрева. В способе очистки взлетно-посадочных полос (ВПП) аэродромов и ДП используется тепловая машина [АС 1331938, МПК Е01Н 5/10, опубл. 23.08.1987]. Фактически это реактивный двигатель, струя высокотемпературных газов которого снижает адгезию гололедных образований с бетонным или асфальтовым покрытием с последующим механическим удалением гололедных образований за счет энергии газовой струи. Температура газовой струи, создаваемой тепловой машиной, порядка 1000 K, а скорость 520 м/с. При этом за счет увеличения влажности воздуха в районе ВПП или ДП аэрозольные частицы становятся центрами конденсации водяного пара и осаждаются без значительного разлета, что улучшает экологическое состояние придорожных территорий.
Недостатком способа является чрезвычайно большой расход топлива на очистку одного квадратного метра ВПП или ДП. При этом экономические затраты становятся столь большими, что очистка этим способом производится только на аэродромах, где убытки из-за задержки рейсов превышают затраты на очистку ВПП.
Для снижения расходов на топливо в ряде патентов предложено использование тепловой энергии выхлопных газов транспортного средства. Так в патенте РФ 2121033 (МПК Е01Н 5/00, опубл. 27.10.1998) выхлопными газами двигателя нагревается пустотелый цилиндрический каток, смонтированный на шасси автомобиля, на наружной поверхности катка закреплена металлическая щетина, придающая шереховатость ледяным образованиям на ДП; сопло для выпуска выхлопных газов направлено внутрь катка.
В такой реализации не используется механическая энергия отработавших газов, а также необходимо использование коммунальной техники, что приводит к увеличению количества транспорта на дорогах, а при наличии на ДП льда и снега неизбежно увеличивает аварийность.
Известно средство борьбы против гололеда, принятое за прототип (РФ 2249648, МПК Е01Н 5/00, опубл. 10.04.2005), сущность которого заключается в использовании тепловой энергии выхлопных газов транспорта, подводимых к передней зоне соприкосновения колеса с дорогой. Прямо из глушителя газы подводятся к передней зоне соприкосновения колеса с дорогой при помощи газопровода, и тепловая энергия газов подтапливает лед и снег перед колесами, одновременно нагревая резину колеса. Однако энергии рассеянных отработавших газов одного автомобиля не хватает для борьбы с гололедом, а нагретый лед при остывании образует участки с наименьшей адгезией к автомобильным шинам, что увеличивает вероятность дорожно-транспортных происшествий.
Целью изобретения является снижение аварийности транспортного движения в плотном потоке при неблагоприятных метеорологических условиях, приводящих к образованию гололеда на ДП.
Технический результат изобретения заключается в формировании шероховатой поверхности с повышенным коэффициентом сцепления колес автомобиля с дорогой на участках с гололедными образованиями и значительном снижении экономических затрат на борьбу с гололедом.
Технический результат достигается тем, что в способе борьбы с гололедом на автодорогах, включающем использование в качестве нагревателя выхлопных газов, отводимых от выхлопной трубы глушителя специальным устройством, установленным на индивидуальном транспортном средстве, согласно изобретению, на выхлопную трубу индивидуального транспортного средства крепится насадка с соплом, направленным на дорожное покрытие для создания искусственной шероховатости с помощью газодинамической струи, а предварительное ослабление адгезии гололедных образований с полотном дороги обеспечивается за счет сфокусированного инфракрасного излучения отработавших газов.
На фиг. 1 приведена схема реализации способа, где v - вектор скорости автомобиля.
На фиг. 2 приведена зависимость температуры выхлопных газов от режима работы двигателя.
На фиг. 3 схематически изображен процесс фокусировки и концентрации отработавших автомобильных газов.
1
2
3
-3
-6
-3
Температура выхлопной трубы между картером и глушителем автомобиля зависит от числа оборотов двигателя и приведена на фиг. 2. При длительном времени движения автомобиля она изменяется от 400°С до 600°С, что соответствует максимумам длин волн инфракрасного излучения от λ=2,9⋅10/673=4,3⋅10м=4,3 мкм до λ=2,9⋅10/873=3,3 мкм. Окно прозрачности льда находится в диапазоне от 0,55 мкм до 5 мкм, куда попадает не только высокотемпературное излучение от тепловой машины с максимумом длины волны λ=2,9 мкм, но и излучение от отработавших автомобильных газов. Однако плотность потока энергии, поступающей на границу раздела «гололедное образование - дорожная поверхность» у тепловой машины существенно больше, чем у автомобиля, т.к. . Скорость выхлопных газов после глушителя незначительна, порядка 3 м/с. Поэтому энергии рассеянных отработавших газов одного автомобиля не хватает для борьбы с гололедом.
Поставленная задача борьбы с гололедом на автодорогах может быть решена за счет концентрации энергии отработавших газов одного автомобиля в узкой полосе, и использования сконцентрированной энергии множества автомобилей в потоке.
b
Spac
al
l
Sф
2bl
а
b
b
2
Цилиндрическое зеркало 1, установленное между картером и глушителем 2, собирает инфракрасную энергию отработавших газов в узкую полосу шириной 2, площадь которой в 16 раз меньше площади сегмента, на который падает рассеянное излучение без использования цилиндрического зеркала 1. Т.е. плотность потока мощности (Вт/м) в этой узкой полосе эквивалентна плотности потока мощности, создаваемой тепловой машиной. Площадь сегмента рассеяния тепловой энергии =2, где  - длина зеркала 1, а площадь сфокусированной энергии =. Тогда отношение плотностей сфокусированной и рассеянной энергии  Приняв =1,6 м - полуширина автомобиля, получаем =0,1 м=10 см. Т.е. адгезия гололедных образований с полотном автодороги 4 будет резко снижаться в полосе 2=20 см, как и в случае применения тепловой машины.
Теперь необходимо обеспечить достаточную энергию струи отработавших газов для уничтожения ослабленных гололедных образований. С этой целью на конец выхлопной трубы одевают антигололедную насадку с соплом 3 (Фиг. 1, 3).
v
2
Из уравнения непрерывности следует, что скорость отработавших газов , выходящих из сопла насадки, равна
v1
S1
D1
S2
D2
где  - скорость отработавших газов на выходе выхлопной трубы автомобиля с сечением  и диаметром ,  и  - площадь сечения сопла насадки 3 и его диаметр.
v1
v2
Приняв среднюю скорость =3 м/с, а отношение диаметров выхлопной трубы и сопла насадки, равным десяти, получаем =300 м/с, что сравнимо со скоростью струи газов, создаваемых тепловой машиной.
За счет раскачивания автомобиля в процессе движения сопла насадки будет колебаться в направлении перпендикулярном движению, разрыхляя и уничтожая гололед в полосе сфокусированной энергии отработавших газов.
При движении множества автомобилей в потоке с малыми интервалами времени между ними происходит уничтожение гололедных образований в полосе сфокусированной энергии отработавших газов, и образование шероховатой ледяной корки с высоким коэффициентом сцепления колес автомобиля с дорогой на других ее участках, что существенно снижает опасность возникновения дорожно-транспортных происшествий.
То есть данное техническое решение предполагает не полное удаление гололеда с автодорог, а частичное, с формированием шероховатой поверхности с повышенным коэффициентом сцепления колес автомобиля с дорогой на ее оставшейся части. При этом используется даровая энергия отработавших автомобильных газов, что существенно повышает экономическую эффективность способа как по сравнению с использованием тепловой машины, так и использованием химических реагентов.
Дополнительными преимуществами способа являются:
- улучшение экологического состояния придорожной территории за счет отказа от химических реагентов и повышения влажности в полосе дороги, что приводит к дополнительному осаждению вредных аэрозольных частиц;
- защита от разрушения передней части автомобильного днища, т.к. снижение его температуры зеркалом замедляет процесс коррозии.
Предлагаемый способ реализуется следующей последовательностью действий.
1. На базе анализа метеорологических данных в регионе объявляется предупреждение о возможном появлении гололеда на автодорогах.
2. Автомобилисты надевают на выхлопную трубу антигололедную насадку и ездят с ней до объявления об исчезновении условий образования гололеда. Зеркало закреплено постоянно.
3. Процесс удаления гололедных образований происходит в две стадии. Вначале за счет сфокусированного инфракрасного излучения отработавших газов нарушается адгезия льда с полотном дороги. На втором этапе частично разрушаются гололедные образования за счет кинетической энергии сконцентрированной струи газов, выходящих из сопла насадки.
4. Уборочные машины при снижении интенсивности автомобильного движения производят механическую очистку дорог от оставшегося гололеда.
Особенно эффективно использование предлагаемого способа на стадии образования гололеда, когда сцепление предгололедных образований с автодорогой еще не полное. Тогда в областях дороги, где нет достаточной концентрации отработавших газов будет формироваться шероховатая поверхность гололеда, что улучшает сцепление колес автомобилей с дорогой и снижает вероятность дорожно-транспортных происшествий.