CC BY
63
удк 62i.43.06S А. М. МИНИТАЕВА
Омский государственный технический университет
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПО КРИТЕРИЮ ОПАСНОСТИ
В статье рассмотрены общие характеристики методик контроля экологической безопасности транспортных двигателей и нормы выбросов вредных веществ транспортных двигателей, касающиеся контроля за дымностью отработавших газов дизелей, а также дается интегральная оценка вредных веществ по критерию опасности
транспортных двигателей. Ключевые слова: ездовой двигатель, экология.
Экологические проблемы транспортных двигателей до последнего времени решались в основном за счет совершенствования рабочею цикла, применения каталитических нейтрализаторов окислительного типа и, в небольших объемах, фильтров для улавливания дисперсных частиц 111.
В конце 1990-х годов в Европе, США и Японии были введены стандарты, заставившие изменить взгляд на необходимость физико-химической обработки отработавших газов дизеля. Например, стало очевидным, что если требования норм «Евро-1» и «Евро-2» за счет совершенствования рабочего цикла и конструкции дизеля выполнить можно, то при переходе к «Евро-3», а тем более к «Евро-4», без нейтрализатора оксидов азота и фильтра дисперсных частиц как обязательных элементов конструкции не обойтись; экологические показатели дизеля должны сохраняться постоянными в течение всего его ресурса, т. е. на пробеге 600 — 1 ООО тыс. км.
Нормы токсичности «Евро-1»-«Евро-4» устанавливают, предельные значения на выброс твердых частиц, а также долю бензола в выбросах несгоревших углеводородов. Так, в отработавших газах двигателей с искровым зажиганием она не должна превышать 6,0 («Евро-1»), 6,2 («Евро-2»), 6,4 («Евро-3») и 6,7 % («Евро-4»), а в продуктах сгорания дизельные двигателей -1,9% («Евро-1» и «Евро-4») (2).
В настоящее время экологические стандарты во всем мире ужесточаются. В Европе принято решение что продукция, не отвечающая требованиям стандарта 1БО 14000, на территории сообщества распространяться не может. На основе этого стандарта в России разрабатываются свои стандарты, которые по жесткости не уступают мировым (3|. Решением правительства РФ от 21 марта 2002 г. определены сроки введения в стране норм токсичности для отечественных автомобилей: с 2004 г. «Евро-2»; с 2007 г. «Евро-3» и с 2011 г. «Евро-4»|2).
Однако наряду с выполнением норм на выбросы вредных веществ, при новом нормируемом показателе, диоксиде углерода, необходимо обеспечить и достаточно высокий уровень такого конъюнктурного показателя, как топливная экономичность [4).
Например, нормы, действующие в США, устанавливают, что в отработавших газах дизеля легкового автомобиля содержание диоксида углерода должно быть не более 200 г/км, а европейские нормы не более 135 г/км. Выполнить их можно, если расходы
I, «Евро», категория опасности, вредные выбросы.
топлива будуг равны соответственно 7,4 и 5,3 л/100 км. В перспективе ожидается, что нормой станут 90 г/км СО^, а это означает, что расход топлива придется снизить до 3,4 л/100 км.
Повышение доли транспортных двигателей в загрязнении окружающей среды приводит к введению иостояшю ужесточаемых норм на выброс токсиЧ1шх веществ во всех странах.
Однако, во-первых, нельзя не отметить, что не всегда введение чрезмерно сгрогих норм по токсичности является оправданным и технически обоснованным: нередко введение этих норм обусловлено лоббированием крупных международных автомобильных компаний с целью устранения конкурентов, реализующих более привлекательную продукцию по более низким ценам.
Во-вторых, применяемые для достижения крайне строгих норм по токсичности технические решения во многих случаях являются весьма дорогостоящими и зачастую требуют применения сложных технических устройств.
Третья конференция стран-участниц «Рамочная конвенция об изменении климата» (РКИК) приняла согласованное дифференцированное решение (Киотский протокол) по допустимому уровню выбросов диоксида углерода каждой страной. Согласно данному документу, в период с 2008 по 2012 г. каждая сгра! 1а должна снизить по отношению к уровню 1990 г. выбросы С02 на 6 %.
Киотский протокол предусматриваеттри механизма достижения цели: «чистое развитие» (страны снижают выбросы «парниковых газов» в результате модернизации своих предприятий), «совместное сотрудничество» и «торговля квотами на парниковые газы» [4].
Введение нормирования выбросов диоксида углерода с отработавшими газами автотранспортных средств в настоящее время научного обоснования не имеет. Это скорее политика, а не экология. Поэтому введение в дейст вие норм, зафиксированных в ГОСТ Р41.101 -99, следует признать преждевременным.
Нормы выбросов автомобильными двигателями, установленные соответствующими нормативными документами, приведены в табл. 1.
Основные общие характеристики методик контроля экологической безопасности транспортных двигателей приведены в табл. 2.
При проведении ездовых испытаний установлены: протяженность участка I., км; время хода. В европей-
МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК М 2 (90) 2010
Нормы выбросов вредных веществ транспортных двигателей, г/км
Наименование вредных выбросов Тип двигателя Количество выбросов для норм
Евро-1 Евро-2 Евро-3 Евро-4
Углеводороды + оксиды азота Бензиновый 1.13 0,50 - •
Дизель 1,13 0.7-0,9 0,56 0,30
Оксиды азота Бензиновый - • 0,15 0,08
Дизель - - 0,50 0,25
Углеводороды Бензиновый - - 0,20 0,10
Дизель - - 0,06 0,05
Монооксид углерода Бензиновый 3,16 2,20 2.30 1,00
Дизель 3,16 1,00 0,64 0,50
Твердые частицы Бензиновый - - - -
Дизель 0,18 0,10 0,05 0,05
ском цикле движения, в соответствии с которым измеряются расход топлива и выбросы в атмосферу, предполагается, что: 11 % пути автомобиль перемещается со скоростью больше 100 км/ч; 7 % —со скоростью выше 110 км/ч; 11% — со скоростью 120 км/ч и совсем не исследуются экологические показатели при движении со скоросгыо больше 120 км/ч (5, б]. Поэтому большие максимальные скорости автомобиля отнесены к условиям отрицательного экологического воздействия.
Кроме того, реально измеренные выбросы автомобилями вредных веществ оказывались как выше, так и ниже значений, полученных при сертификационных испытаниях. Поэтому за основу брались регламентированные предельные значения, установленные соогветствующими нормами «Евро».
Подсчитанные в отдельных категориях экологического воздействия баллы умножаются на соответствующее «весовое» их значение и суммируются для получения итогового экологического рейтинга автомобиля. Конечно, такую оценку воздействия автомобиля на человека и окружающую природную среду нельзя назвать полной, однако она достаточна для сопоставления (рейтинга) АТС.
«Стокгольмская группа» государств (включая Швецию, Швейцарию, Австрию) приняла нормы по предельной токсичности, базирующиеся на нормативах США (1987г.). Швеция также проявила инициативу в вопросе создания системы штрафов за несоблюдение более строгих норм предельной токсичности.
Пересмотр испытательного цикла также предполагается осуществить на стадии 3 (Е1НЮ 3). Тем временем нормы, касающиеся контроля за дымностью отработавших газов дизелей, работающих при полной нагрузке (Директива ЕЭК 1*24), были оставлены без изменения. Имеющее, в последнее время, место значительное снижение уровней твердых частиц в огработавших газах дизелей делает установленные ранее нормы не совсем приемлемыми.
Испытательные циклы и нормы токсичности транспортных двигателей в Японии для определения концентраций газообразных токсичных компонентов и твердых часгиц в огработавших газах дизелей используется ездовой цикл 10.15. Этог цикл расширен включением в него высокоскоростного режима испытаний (подобногоевропейским циклам).
Для грузовгах автомобилей выбросы токсичных компонентов замеряются с использованием нового 13-ступенчатогоста^оиарного цикла испытаний, введенного в Японии и отличающегося оттого, что имеет место в 13-режимномевропейском испытательном цикле.
Все альтернативные стратегии по развитию и совершенствованию испытательных циклов нацелены
в первую очередь на решение одной из наиболее сложных для существующих и перспективных двигателей проблем — снижения выбросов оксидов азога при одновременном улучшении топливной экономичности на эксплуатационных режимах. Ясно, что в краткосрочном плане наибольшие шансы у стратегии стехиометрического сгорания; она наиболее технологически подготовлена и позволяет наиболее эффективно снижать выбросы оксидов азота на всех режимах работы двигателя. Однако при холодном пуске, прогреве и на холостом ходу стехиометрический двигатель работает неустойчиво, а нейтрализатор отработавших газов, если он предусмотрен в конструкции транспортного средства, прогревается слишком медленно. Кроме того, на режиме полной нагрузки стехиометрический двигатель «недодает» мощность.
Тем не менее опыт таких фирм, как «Форд» и «Тойота», свидетельствует, что данная стратегия дает возможность выполнить нормы «Евро-4», практически не меняя конструкцию многоклапанного карбюраторного двигателя с многоточечным впрыскиванием. Для достижения этого достаточно иметь систему управления, способную, разбавляя смесь отработавшими газами, гюдлерживать стехиометрический ее состав на частичных нагрузках, обеспечивая тем самым эффективную работу нейтрализатора, т. е. небольшие выбросы оксидов азога и расходы топлива.
Известно, что разбавление рабочей смеси отработавшими газами уменьшает скорость сгорания топ» ливовоздушной смеси, что, в свою очередь, делает рабогу двигателя нестабильной, особенно на малых нагрузках. Поэтому рециркуляцию двигателя приходится ограничивать в пределах 8 — 12%, при этом выбросы оксидов азога уменьшаются на 60%. Если применяется рабочий цикл с быстрым сгоранием, то степень рециркуляции рабочего тела отработавшими газами можно повысить до 25 %, тем самым уменьшить выбросы оксидов азога, примерно, на 20%. Чтобы при коэффициенте избытка воздуха а = 1,7 — 1,8 достичь уровня выбросов оксидов азота, соответствующего нормам «Евро-4», нейтрализатор двигателя должен разлагать 90 % содержащихся в отрабогавших газах оксидов азота (7).
Категория опасности (Коа) «усредненного» транспортного средства, представляющая собой сумму категорий опасности (Ков) веществ, входящих в состав отработавших газов, должна вычисляться но выражению [6,4,8|:
Коа = іКов = I і-і і*і
М
ПДК,
Параметры экологических испытаний транспортных двигателей
Цикл движения, страна Па раметры испытаний
Ь, км Т. с V, км/ч Убт, км/ч
ЕСЕ, Западная Европа 4,052 820 50 18,7
ЕСЕ+ЕиОС, Западная Европа 11,00 7 122 0 120 33,6
Городской цикл, США и Канада 17,8 187 7 91,2 34,1
Скоростной цикл. США. Канада 16,5 765 96,4 77,4
Новый японский цикл. Япония 4,16 660 70 22,7
где а, —безразмерная константа, позволяющая соотнести степень 1-го вещества с вредностью диоксида серы; М,— выброс 1-го вредного вещества, г/с; ПДК,— предельно допустимая концентрация иго вещества, г/м3.
Входящие в формулу (1) величины ПДК вредных веществ приведены в работе |4]. Параметр М1 определяется по результатам опытных стендовых или эксплуатационных испытаний.
Данный показатель позволяет сравнить между собой экологическую опасность стационарных и подвижных энергетических установок различных типов, но он не дает возможности судить о соответствии количества отработавших газов данного двигателя действующим нормативам на выбросы. Поэтому целесообразно этот показатель представлять в относительном виде, то есть в виде безмерного критерия экологической безопасности транспортного средства (Ктс), который дает точное представление об уровне экологической безопасности исследуемого типа двигателя, сравнив его с эталоном. В качестве эталона, следует использовать категорию опасности двигателя, сертифицированного по Правилам N983 ЕЭК ООН, то есть по правилам «Евро». Тогда критерий Ктс относительной экологической безопасности будет определяться по формуле
Коа.
^__
где Коа Евро - категория опасности транспортного двигателя, удовлетворяющего нормативам «Евро»; Коа)
— категория опасности испытываемого двигателя (6).
Таким образом, коэффициент Ктс характеризует уровень экологической опасности различны х тра! «спор-тных средств, или энерго гических установок, по сравнению с действующими нормами «Евро» (табл. 3) |9].
Иначе говоря, анализ экологической опасности двигателей по абсолютному количеству выбросов не дает полного представления о ней, так как не учитывает токсичности и класса опасности веществ, входящих в состав отработавших газов.
Используя интегральную оценку вредных веществ но критерию опасности двигателя (Коа), критерию, который представляет собой сумму категорий опасности тех вредных составляющих отработавших газов, которые подлежат нормированию [10).
Критерий Коа, но существу, является абсолютным показателем уровня экологической опасности отработавших газов. И уже в силу этого не дает ответа на главный вопрос: насколько опасны отработавшие
Уровень экологической опасности транспортных средств
Норма Значение Ктс Уровень опасности
«Евро-0» >10 Чрезвычайно опасные
«Евро-1» 4-10 Высоко опасные
«Евро-2» 2-4 Умеренно опасные
«Евро-3» 1-2 Мало опасные
«Евро-4» £1 Неопасные
газы данного двигателя, имеющего конкретный пробег, для человека и окружающей среды?
Чтобы ответить на него, Коа нужно, очевидно, каким-то образом согласовать с действующими в данный момент нормами. И такая возможность есть. Ее дает отношение категории опасности автомобиля, определяемой для реальных условий его эксплуатации (Коа,), к категории опасности Коа„, соответствующей действующим на данный момент времени нормам на выбросы, т. е. Ка = Коа./Коам. Это отношение можно назвать критерием Ка экологической опасности транспортного двигателя. Очевидно, если Ка£ 1, то энергетическая установка считается эколотчески безопасной.
Таким образом, рассмотренная выше методика позволяет не только сравниь-ать транспортные двигатели разных моделей и модификаций сточки зрения уровней их экологической опасности, но и судить об эффективности работы различных технических решений, направленных на снижение токсичности отработавших газов двигателей. Наилучший способ определить направления экологического требования «Евро-2» и «Евро-3» — это исследование соответствующих математических моделей, которые потребуют натурных образцов ДВС и в то же время позволяют варьировать значения сколь угодно большого числа факторов, влияющих па рабочий процесс [11).
Библиографический список
1.Панчишньїй, В.И. Системы комплексной очистки отработавших газон дизелей / В.И. ПанчишныЙ // Автомобильная промышленность. - 2004. — N«1. — С. 25 — 27.
2. Петров, Р.Л. Германия: экологический рейтинг автомобилей / Р-Л. Петров // Автомобильная промышленность. — 2001. -№7. - С 36 - 39.
3. Методические указания но определению влияния вредных выбросов от тепловозов на состояние атмосферного воздуха в районах железнодорожных станций и узлов / МПС СССР. — М.. 1987. - 41 с.
4. Кульчицкий, А.Р. Транспорт и «парниковые газы» / АР. Кульчицкий, В.В. Эфрос // Автомобильная промышленность. - 2005. - N06. - С. 5-8.
5. Горбунов, В.В. Токсичпость двигателей внутреннего сгорания / В. В. Горбунов, Н. Н. Патрахальцев — М. : Изд-во Российского унивсрскгета дружбы цародов, 1998. — 214 с.
6. Филиппов, А.А Оценка экологической опасности автомобиля, работающего на разных видах топлива /АА. Филиппов, Е.В. Бондаренко, М.В. Коротков // Автомобильная промышленность. - 2004. - N«4. - С. 29 - 30.
7. Головных. И. М. Модель токсичности выбросов дизелей на нестационарных режимах / И. М. Головных. А В. Евтухов //
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИ* № 2 (90) 2010
| Автомобильная промышленность. - 2003. — N08. — С. 9—11.
8. Эмиссия углеводородов с отработавшими газами д изелей. / А. Р. Кульчицкий (м АР-1 //Двигателестроение. — 2000. — К«2. — С. 37 - 38.
9. Новиков, Л.А. Современные и перспективные технологии для организации малотоксичной работы двигателей / Л.А Новиков // Двигателестроеннс*. — 2005. - N04. - С. 8-15.
10. Изменение экологической опасности автомобилей в процес-се их эксплуатации / Ю. И. Ямолов (и др.) // Автомобильная промышленность. — 2005. — N07. — С. 11 — 15.
11. Коалов, А В. Экологическая модель ДВС с искровым зажи-
гание.ч / А В. Козлов // Автомобильная промышленность. — 2003. - N«4. - С. 12-15.
МИНИТАЕВА Алина Мажптовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладная математика и информационные системы».
Адрес для переписки: e-mail: alinaIlower@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 16.03.2010 г.
© А. М. Мини тлена
Книжная полка
УДК 621.38
Алексеева, Н. И. Вакуумная и плазменная электроника [Текст!: конспект лекций / Н. И. Алексеева; ОмГТУ.
- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 55 с.: рис. - Библиогр.: с. 55.
Изложены основные тенденции развития направления дисциплины в объеме, предусмотренном действующей программой и Государственным образовательным стандартом
УДК 658.56
Дрейзин, В. Э. Управление качеством электронных средств [Текст]: учеб. пособие для вузов по специальностям «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств» направления «Проектирование и технология электронных средств» / В. Э. Дрейзин, А. В. Кочура. - М.: Академия, 2010. - 204, [1) с.: рис., табл. -(Высшее профессиональное образование). - Библиогр.: с. 280-281.- ISBN 978-5-7695-5740-8.
Приведены основы современных представлений об управлении качеством и квалиметрии. Рассмотрены организационно-экономические методы управления качеством и современные системы управления качеством, виды контроля и испытаний электронных средств при их производстве, математико-статистические методы выборочного контроля. Изложены специфические вопросы электрического контроля электронных средств, включая диагностический контроль, а также вопросы информационного анализа и построения математических моделей технологических процессов производства электронных средств.
УДК 621.396.6
Ямпурин, Н. П. Основы надежности электронных средств [Текст]: учеб. пособие для вузов по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» / Н. П. Ямпурин, А. В. Баранова; под ред. Н. П. Ямиурина. - М.: Академия, 2010. - 237, [1] с.: рис., табл. - (Высшее профессиональное образование). - Библиогр.: с. 234-235. - ДОКДО 978-5-7695-5908-2.
Представлены основные положения и определения в облает надежности электронных средств, приведены теоретические сведения по показателям надежности и методам ее расчета для восстанавливаемых и невос-станавливаемых систем. Изложены основы оценки надежности сложных систем, в том числе с учетом надежности программных средств. Особое внимание уделено автоматизированному расчету показателей надежности электронных средств с применением САПР.
УДК 621.382
Михайлов, А. В. Физические основы электроники: пассивные компоненты электронных устройств [Текст]: учеб. пособие для вузов по направлению 200100 «Приборостроение» и специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии» / А. В. Михайлов, М. Г. Родионов, С. М. Новиков; ОмГТУ. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 91, [1] с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 91. - ISBN 978-5-8149-0815-5.
В учебном пособии рассматриваются общие вопросы, связанные с физическим принципом действия пассивных проводниковых и полупроводниковых компонентов электронной техники, а именно: резисторов, электрических конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов электронной аппаратуры; электропроводность полупроводников, их основные свойства и характеристики, электрические переходы, полупроводниковые диоды различного назначения и стабилитроны, варикапы и тиристоры.
