Разработка математической модели интенсивности выбросов токсичных компонентов отработавших газов

УДК 629.113.004

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИНТЕНСИВНОСТИ ВЫБРОСОВ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

В.Н. Варфоломеев, профессор, д.т.н., В.И. Белов, ст. преподаватель, ХНАДУ

Аннотация. Разработана математическая модель интенсивности выбросов токсичных компонентов отработавших газов автомобиля с учетом переменных значений индикаторного КПД двигателя.

Ключевые слова: автомобиль, экологическая безопасность, отработавшие газы, математическая модель.

Введение

Подвижной состав автомобильного транспорта является важнейшим фактором воздействия на атмосферу, литосферу и гидросферу и поэтому он должен рассматриваться в качестве составляющей глобальной экологической проблемы страны. Отрицательное влияние транспортных машин на окружающую среду проявляется прежде всего в выбросах вредных веществ с отработавшими газами - оксидов азота, углерода, углеводородов, альдегидов, сажи и др. Количество токсичных компонентов, выбрасываемых подвижным составом автотранспорта, примерно в 5-6 раз больше, чем всеми другими видами транспорта, вместе взятыми.

Анализ публикаций

Решением проблемы экологической безопасности занимались многие ученые (Варшавский И.Л., Говорущенко Н.Я., Гутаревич Ю.Ф., Звонов В. А. и др.). Анализ их работ показал, что основными факторами отрицательного воздействия транспортных машин на окружающую среду являются химические вещества, дым, вибрация, тепловые выбросы и т.д. Работа автомобильного двигателя характеризуется частой сменой скоростных и нагрузочных режимов, на которых выбрасывается определённое количество вредных веществ. Кроме того, состав отработавших газов в значительной мере зависит от технического состояния двигателя и условий эксплуатации. Для эксплуатационных целей необходимо знать характеристики выброса вредных веществ в г/км в зависимости от скорости движения, веса автомобиля и суммарного дорожного сопротивления [1].

Состав газов бензиновых двигателей в основном определяется коэффициентом избытка воздуха. С

достаточной точностью можно принять, что он изменяется линейно в зависимости от процента использования мощности. Для оценки токсичности отработавших газов автомобиля целесообразно использовать соответствующие модели. Из трёх основных форм представления модели -концептуальной (мысленной), знаковой и материальной, при их относительной равноценности с информационной точки зрения, предпочтение следует всё же отдавать последним двум.

Цель и постановка задачи

Целью работы является выявление основных мероприятий, способствующих уменьшению весового выброса вредных веществ и повышению экологической безопасности на автомобильном транспорте. Для этого необходимо усовершенствовать математическую модель для расчёта выброса отдельных токсичных компонентов отработавших газов и установить их количественные зависимости от основных эксплуатационных факторов.

Моделирование выбросов вредных веществ

Наиболее точной математической моделью для расчёта количества вредных веществ Оп в г/км при движении автомобилей с различными скоростными и нагрузочными режимами является модель, предложенная проф. Говорущенко Н.Я. [1]

2т = 0,0548Мвв • Рт (4 + В2 • Ж, + С*2 • N2 ) X х\А • /'к + В • /'к2 •У^ + С (•у +

+0,077 • кЕ • V2 )]•

где Мвв - молекулярная масса токсичных веществ, г; рт - плотность топлива, г/см3; А2, В2, С2 - постоянные коэффициенты для разных токсичных веществ; N - процент использования мощности; А, В , С - постоянные коэффициенты для данной модели автомобиля; /к - среднее передаточное число коробки передач; Уа - средняя техническая скорость движения автомобиля, км/ч; Оа - вес автомобиля, Н; у - коэффициент суммарного дорожного сопротивления; кЕ - фактор обтекаемости, Н-с2-м-2; аь Ь\ - постоянные для данного карбюратора коэффициенты; п - индикаторный КПД двигателя.

Математические модели расчёта выбросов вредных веществ по отдельным компонентам разрабатываем на примере автомобиля ВАЗ-2110. Для этого значения Мвв, А2, В2 и С2 принимаем из [1], рт = 0,76 г/см3. Выражение для определения процента использования мощности двигателя N для автомобиля ВАЗ-2110 в порожнем и нагруженном состоянии определяем по формуле

0,0277

N1 =----------------------------- ’

N •п

тах 1тр

где Nmax - максимальная мощность двигателя при полном открытии дроссельной заслонки (для ВАЗ-2110 54 кВт); птр - КПД трансмиссии (для

снаряжённого автомобиля птр = 0,87, для автомобиля с полной загрузкой птр„ = 0,92).

После подстановки значений (Оас = 9908 Н, Оп = 14519 Н; у = 1,65Д;; кЕ = 0,41 - [2]) получаем для снаряженного N и для загруженного автомобилей N

5 Т/3.

N = 9,64 +1,89 -10-5К

1С / / а

N = 13,36 +1,78 •10-5К3.

1И / / и

Для ВАЗ-2110 А = 0,225; В = 0,06; для снаряженного автомобиля - Сс = 3,44 -10 ~3, для загруженного - Сп = 3,25 10-3 (формулы для расчёта этих коэффициентов приведены в [1]).

Кроме того, ¡К = 80,85/Уа [2], а выражение

( + Ь1 • N) заменяем через коэффициент избытка воздуха а : а = 0,9 + 0,003^ [2].

Для существующей методики расчёта количества выбросов вредных веществ принимаем постоянные значения индикаторного КПД - для снаряжен-

ного автомобиля п" = 0,32, для загруженного -

П-п = 0,34. По предлагаемой методике значения

П," будут переменными в зависимости от скорости движения автомобиля.

Математические модели токсичности отработавших газов на примере оксидов азота М02 для снаряженного автомобиля 2ш2 и для автомобиля с

полной загрузкой 2ш2п имеют вид

2^с = 1,916\0,249 +1,327 -10-7 V --0,68 • 10-4

х/п"с ;

2По2с = 1,916\0,275 +1,25 -10-7 V,3 --0,68 • 10-4

•а,

К  <5>

При расчетах 2т принимались (по старой методике - со штрихом, по предлагаемой - с двумя штрихами):

а/п! =—1— = 3,125; а/п' =—1— = 2,941.

0 32 У '

0,34

Значения а/п" и а/п" приведены в табл. 1.

Результаты расчётов выбросов вредных веществ по полученным математическим моделям N0 при фиксированных значениях п! 2ш2 и для переменных значений п" 2жз2 приведены в табл. 2 и на рис. 1.

Анализ расчётных данных показывает, что наибольшая токсичность выхлопных газов автомобиля наблюдается при его движении с пониженными скоростями (до 20 км/ч). Уже при Va= 30 км/ч происходит снижение количества СО и СН примерно на 33-34 %, а М02 - на 31-33 %. При увеличении скорости движения автомобиля количество СО и СН в пределах до 100 км/ч всё время снижается, а N0 для трёх случаев (при переменных значениях п для Оа и Оа и при фиксированных п/ для порожнего автомобиля) сначала снижается - до Уа= 70-80 км/ч, а затем увеличивается, для загруженного автомобиля при постоянном индикаторном КПД всё время снижается. Отношение количеств соответствующих токсичных веществ для снаряженного и загруженного автомобиля приведено в табл. 3.

X

X

Таблица 1 Значения а/п" при переменных п"

Показатель Значения

Уа, км/ч 20 30 40 50 60 70 80 90 100

“К 2,856 2,852 2,846 2,836 2,820 2,799 2,771 2,736 2,694

“К 2,816 2,813 2,807 2,797 2,783 2,763 2,738 2,706 2,667

Таблица 2 Результаты расчётов N0? в г/км в отработавших газах для порожнего и загруженного

автомобиля ВАЗ-2110

V, км/ч Оа =9908Н ас О, =14519Н ап

от' ^N02 от" ¡¿N02 от ^N02 от" кЖ02

20 8,35 8,04 10,05 9,68

30 5,71 5,51 6,74 6,58

40 4,51 4,37 5,12 5,13

50 3,90 3,81 4,18 4,37

60 3,63 3,59 3,58 3,95

70 3,58 3,62 3,18 3,78

80 3,71 3,86 2,90 3,77

90 3,98 4,32 2,70 3,88

100 7 СО 4, 5,05 5 «О 2, 8 О, 4

Ка ---------------

Выводы

Приведенные математические модели имеют важное практическое значение при анализе технико-экономико-экологических мероприятий по снижению загрязнения окружающей среды. Они могут быть использованы при разработке основных стандартов на выброс вредных веществ в г/км, при проектировании дорог и улиц, при создании систем управления дорожно-транспортными потоками в крупных населённых пунктах, при разработке диагностического оборудования для проверки технического состояния автомобилей и т. д.

Литература

Рис. 1. График соотношения количеств токсичных веществ автомобиля ВАЗ-2110 в снаряженном и загруженном состоянии:

1 - QcoC / °оП ; 2 - бенс / бснП ; 3 -

°02с/ °02п ; 4 - оСос/ QC0п; 5 -

^Снс/ оСН п ; 6 - QN О2 с/ QN О2 п

Анализ графика на рис. 1 показывает, что при учёте переменных значений индикаторного КПД увеличение скорости движения автомобиля значительно меньше влияет на прирост количества токсичных компонентов при его загрузке. Это связано с тем, что загрузка автомобиля приводит к росту п,-, что снижает расход топлива и, следовательно, уменьшает токсичность автомобиля.

1. Говорущенко Н.Я., Туренко А.Н. Системотех-

ника транспорта (на примере автомобильного транспорта). - Харьков: РИО ХГАДТУ, 1999. - 468 с.

2. Варфоломеев В.Н., Белов В.И. Совершенство-

вание математической модели расхода топлива // Материалы 1Х-ой Междунар. научно-техн. конф. «Автомобильный транспорт:

проблемы и перспективы». - Севастополь: СевНТУ. - 2006. - С.

Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 5 апреля 2006 г.