CC BY
111
УДК 629.039.58
Е. Е. Анисимов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ)
Рассмотрены основные вредные вещества выхлопных газов автотранспорта. По данным ГБУ «Якутский республиканский медицинский информационно-аналитический центр» приведен анализ состояния заболеваемости всего населения г. Якутска. Произведен расчет по определению бензапирена на территории г. Якутска. Предложены способы уменьшения вредных выбросов автотранспорта путем организации специализированной автостоянки. Подробно описан принцип работы электрического подогревателя модели СТАРТ-М и проведен сравнительный анализ с целью выявления экономического эффекта от его использования. Приведены результаты исследования по изменению температуры в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания при движении и на холостом ходу автомобиля. Натурные испытания были проведены в самый холодный период времени с использованием температурных датчиков и датчиков влажности «Термохрон». Приведена функциональная классификация температурного режима двигателей внутреннего сгорания для сравнения с полученными экспериментальными данными. Предлагается проект линии-парковки автомобилей с дополнительной теплоизоляционной капсулой для поддержания рабочей температуры автомобиля в условиях низких температур.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), автотранспорт, вредные вещества, бензапирен, охлаждающая жидкость, температурный режим, эксперимент, электрический подогреватель, теплоизоляционная капсула, линия-парковка, выхлопной газ.
E. E. Anisimov
The Influence of Low Temperatures on Car Engines and Efficient Engine Operation in Republic Sakha (Yakutia)
Nowadays we are experiencing significant growth of society evolution and cultural development almost in all fields of mankind activities: science and technology, IT and communication, transport and telecommunication. And all these above mentioned aspects influence on the environment. The author gives the list of harmful substances which are made as a result of exhaust gas emission. The author analyses Yakutsk city population illness frequency level according to the data of "Yakutsk Republican Medical Information Analysis Center" and calculates the level of benzopyrene on the territory of Yakutsk city. The given article offers reduction methods of harmful emissions with the help of specialized car park. It describes the operation guide of electric heating system START-M and it gives a comparative analysis of economic benefits. The article shows the results of research on temperature changes in the internal combustion engine (ICE) cooling system during free running and in motion. Humidity sensor "Thermochron" and temperature detector were used in the research as it was held during the coldest period. Author compares received data with the temperature classification of ICEs. In his article he offers project of lined-car parking with additional thermal covering capsule in order to maintain car operation in low temperatures.
Key words: internal combustion energy, vehicle, harmful emission, benzopyrene, cooling liquid, temperature, experiment, electric heating booster, thermal covering capsule, lined-car park, exhaust gas.
АНИСИМОВ Евсей Евсеевич - ст. преп. кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервис Автодорожного факультета Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова.
E-mail: [email protected]
ANISIMOV Evsei Evseevich - Senior Teacher of Car Operation and Service Department of Faculty of Road Construction of the M. K. Ammosov North-Eastern Federal University.
E-mail:[email protected]
Введение
Стремительные темпы развития человеческого общества, науки и техники, поразительные достижения во всех областях человеческой деятельности, в первую очередь, в информатике и коммуникациях, транспорте и связи, изменили наши представления о времени и пространстве и привели к переоценке ценностей. Стратегия экстенсивного роста уже не может удовлетворять экологически ориентированное общественное сознание. Размах антропогенного влияния на окружающую среду настолько велик, что
под угрозу поставлена сама жизнь на планете. Настораживает тот факт, что в процессе реализации многих технических решений, получаемые результаты расходятся с ожидаемыми прогнозами. Объем материальных потерь и появление патологий, снижающих дееспособность человека, вследствие антропогенных изменений в биосфере, принимают огромные масштабы [1].
Одним из основных источников загрязнения окружающей среды является автомобильный транспорт. Как известно, при работе двигатель внутреннего сгорания поглощает 4 тонны кислорода и с выхлопом образуются следующие вредные вещества: диоксид углерода (С02), оксид углерода (СО), диоксид серы ^О2 ), окислы азота ^Ох ), летучие углеводороды (ЛОС) и производные от них твердые частицы, в том числе вещество 1-го класса опасности - бензапирен.
На наш взгляд, самым агрессивным видом вредных выбросов является бензапирен. Он вызывает поражение органов дыхательных путей и кровеносной системы. По данным ГБУ «Якутский республиканский медицинский информационно-аналитический центр» (ЯРМИАЦ), первичная заболеваемость всего населения в 2012 г. повысилась на 3,1 %, составив 1065,0 на 1000 населения (2010 г. - 1032,8). В структуре первичной заболеваемости всего населения на протяжении 3 лет лидируют болезни органов дыхания - 256,0 на 1000 населения [2].
Вместе с передвигающимися массами воздуха бензапирен разносится по большой площади, а выпадая вместе с твердыми частицами из воздуха (например, при осадках), попадает в почвенные слои, водоемы, на поверхности строений. Если в средней полосе России большая часть бензапирена нейтрализуется почвой, то в Якутии ввиду наличия мерзлоты он только накапливается. В данное время в г. Якутске имеется более 101 тыс. автомобилей, из которых 60 % эксплуатируется круглогодично [2-3].
От общего количества автомобилей (101265 ед.) в год образуется около 200 кг твердых углеводородов. Из этого объема 2 % приходится на долю бензапирена, что составляет около 405060 кг/год. Тогда плотность бензапирена на территории г. Якутска составит 0,33 г/м3. Согласно государственному нормативу (ГН2.1.6.1338-03), среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК) бензапирена должна быть не более 0,1 мкг/м3. В нашем случае 0,033 г/м3 = 904,1 мкг/м3, что превышает ПДК в 2700 раз!
Таким образом, актуальность представленной работы заключается в поиске решений по уменьшению объема выбросов бензапирена и увеличение ресурса работы ДВС в условиях низких температур.
В целях достижения снижения уровня вредных выбросов автотранспорта предлагается способ
ограничения времени холостой работы двигателя путем установки в систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания электрического подогревателя и использования теплоизоляционных утеплителей тентов. Использование теплоизоляционного утеплителя совместно с электроподогревателем ДВС позволяет значительно уменьшить долю вредных выбросов выхлопного газа автомобилей и снизить эксплуатационные затраты при хранении автотранспорта, а также обеспечить заложенный ресурс работы автомобиля при эксплуатации в условиях Крайнего Севера.
Принцип работы электроподогревателя «СТАРТ-М»
На начальном этапе работы нами проведен патентный поиск с целью выявления и подбора оптимальной марки устройства подогрева охлаждающей жидкости в двигателе внутреннего сгорания. В итоге было решено апробировать электроподогреватель охлаждающей жидкости марки «СТАРТ-М» отечественного производства.
Охлаждающая жидкость (тосол, антифриз) нагревается в корпусе подогревателя. Вследствие меньшей плотности нагретая жидкость начинает направленно циркулировать и поступать в рубашку охлаждения двигателя. Место нагретой жидкости занимает более холодная. Так устанавливается естественная термосифонная циркуляция охлаждающей жидкости. Терморегулятор автоматически поддерживает температуру охлаждающей жидкости в заданных пределах, а аварийный термовыключатель предотвращает выход из строя подогревателя при отсутствии в нем охлаждающей жидкости (двойная степень защиты). Время разогрева двигателя зависит от климатических условий (температура, ветер), а также от условий стоянки автомобиля (открытая стоянка, гараж) [4], (рис. 1).
Результаты расчетных и экспериментальных исследований
Проведен сравнительный анализ расходов в трех вариантах: при содержании автомобиля с применением электроподогревателя «СТАРТ-М», работе автомобиля на холостом ходу при заведенном двигателе и при хранении автомобиля в теплой стоянке (табл. 1).
Проведены экспериментальные исследования изменения температур в системе охлаждения ДВС при движении и на холостом ходу автомобиля (рис. 2, 3).
Если приложить полученные результаты к таблице функциональной классификации терморежимов ДВС, разработанной Ю. В. Богдановым (табл. 2), то терморежим будет находиться в периоде нерегулируемого нагрева.
Функциональная ДВС (Ю. В. Богданов) классификация терморежимов приведена в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, фаза остывания происхо-
Рис. 1. Электроподогреватель «СТАРТ-М» 1 - корпус; 2 - шарик клапана; 3 - терморегулятор; 4 - аварийный термовыключатель; 5 - кнопка возврата (включения) термовыключателя
дит достаточно быстро, что весьма негативно влияет на долговечность и работоспособность ДВС.
Линия-парковка с теплоизоляционной капсулой
В целях приведения в соответствие фазы нагрева в экологический отрезок по Богданову, нами разработан проект линии-парковки автомобилей с электрическим подогревом. Линия-парковка представляет собой специальную площадку, в которой монтируется линия электропередачи на 220 В.
Для поддержания рабочей температуры моторного отсека автомобиля в системе охлаждения ДВС устанавливается электрический подогреватель, который имеет мощность 1,5 кВт (для легковых автомобилей). Установленный подогреватель поддерживает рабочую температуру (70°-80°С) охлаждающей жидкости. Нижняя температура хранения и нахождения автомобиля на линии равна до -25 °С.
Дополнительно предлагается установить
теплоизоляционную капсулу, поддерживающую оптимальную температуру автомобиля в целом.
Заключение
Следующим этапом исследований является разработка математической модели, характеризирую-щей процесс теплопотерь автомобиля при хранении на специализированной зимней стоянке.
В результате планируется получить следующие данные:
- выявление закономерности режима полного (критического) остывания автомобиля оснащенного электрическим подогревателем и теплоизоляционным утеплителем-тентом;
- определение уровня снижения вредных выбросов автотранспорта в окружающую среду при известных условиях эксплуатации;
- оценка экономического эффекта от эксплуата-
Таблица 1
Сравнительный анализ денежных расходов содержания автомобиля
Тип энергоносителя Расход энергоносителя Расход в денежном выражении за час, руб. Расход в денежном выражении (руб.) за время простоя на стоянке За 1 месяц, руб. Итого за 7 месяцев, руб.
Электричество 1,5 кВт/час 1,5х3,73*=5,6 5,6x8=44,8 44,8x22=985,6 6899,2
Бензин 0,82л/ч 0,82х37,50**=30,75 30,75x8=246,0 246x22=5412 37 844
Арендуемая теплая стоянка - 16...25 25 8=200 200 22=4000 28 000
(*) - установленный тариф потребления электроэнергии в г. Якутске по состоянию на 24.03.2014г.
(**) - цена за 1 литр бензина АИ-92
40 ,£
27,5
14,2
Datalogging Results
13:40
I.....I ■ ■ ■
14:19 14:58
Time
РаЕ / \ПР" очая темпере -40 С со £2.
Temp
— High £Jarm
— Low^ami
.....
15:37 16:17
Рис. 2. График изменения температур в системе охлаждения ДВС при движении автомобиля (температура воздуха -40 оС)
Datalogging Results
10
Minute Offset
Temp High Alarm low Alarm
Рис. 3. График изменения температур в системе охлаждения ДВС на холостом ходу автомобиля (температура воздуха -40 оС)
Таблица 2
Функциональная классификация температурных режимов ДВС
Код Наименование Примерный диапазон Температур. шкала, °С код Наименование Примерный диапазон
Фаза нагрева (H-heating) Фаза остывания (C-cooling)
H6 Период перегрева Более 115 °С 120 С6 Период перегрева Более 115 °С
Фаза нагрева Фаза остывания
Н5 Период рабочей температуры 80-115°С 115 С5 Период остывания рабочего диапазона От 115 до 80 °С
Н5.3 Частичной наргузки 95-115°С 110 95
Н5.2 Полной нагрузки 85-95°С 85
Н5.1 Экологический отрезок 80-85°С 80
Н4 Период нерегулируемого прогрева 30-80°С ООО С4 Период индексного остывания ККА От 80 до 50 °С
40 С3 Период достартового остывания От 50 до 30°С
Н3 Период холостого хода 20-30°С 30
20 С2 Период остывания до 0°С От 30 до 0 °С
Н2 Период вынужденных высоких оборотов -40 - +20°С 10 0
-10 -20 С1 Период низкотемпературного остывания Менее 0°С
Н1 Период отсутствия оборотов Менее 40°С -40
ции автомобилей с использованием электрических подогревателей и теплоизоляционных утеплителей тентов.
Л и т е р а т у р а
1. Среда обитания и здоровье человека на севере: Эколого-медицинский аспект / Саввинов Д. Д., Петрова П. Г., Захарова Ф. А. и др. - Новосибирск: Наука, 2005. - 291 с.
2. Государственный доклад о состоянии и охране окружающей среды Республики Саха (Якутия)... Г72;
Правительство Репс. Саха (Якутия), М-во охраны природы Респ. Саха (Якутия). - Якутск: Компания «Дани Алмас», 2003 -... в 2011 году: / [сост. Олесова А. И., Кычкина И. И.; научн. ред. Григорьев В. А.]. - 2012. - 216 с.
3. Транспорт в республике Саха (Якутия): Статистический сборник/ Территориальный орган Федеральной службы государственной статистики по Республике Саха (Якутия) - Я.:2012 г. - 122 с.
4. URL: http://www.podogrev.com. 15.01.14г.
5. URL: http://abvgd-auto.narod..ru 15.01.14г
6. Друзьянова В. П., Анисимов Е. Е. Автотранспорт
и окружающая среда // Наука и мир. - 2013. - № 2 (2). -С. 52-53.
7. Друзьянова В. П., Анисимов Е. Е. Некоторые пути улучшения экологичности при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в условиях низких температур. Техника и технологии: роль в развитии современного общества: Материалы II Международной научно - практической конференции. 4 октября 2013 г.: Сборник научных трудов. -Краснодар, 2013. - 224 с. ISSN 2308-7137. - С. 22-26.
8. Друзьянова В. П., Анисимов Е. Е., «Альтернативный метод эксплуатации автомобилей в зимний период» // Молодой ученый - № 4 (51), апрель 2013 г.
9. Поршневые ДВС. Современные принципы конструирования : учеб. пособие / Конкс Г. А., Лашко В. А. -Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2006. - 560 с.
10. Актуальные проблемы создания, проектирования и эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания: сб. науч. тр. / под ред. Лашко В. А. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2007. - Вып.4. - 226 с.
11. Актуальные проблемы создания, проектирования и эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания: сб. науч. тр. / под ред. Лашко В. А. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2012. - Вып. 5. - 189 с.
R e f e r e n c e s
1. Sreda obitanija i zdorov'e cheloveka na severe: Jekologo-medicinskij aspect / Savvinov D. D., Petrova P. G., Zaharova F. A. i dr. - Novosibirsk: Nauka, 2005. - 291 s.
2. Gosudarstvennyj doklad o sostojanii i ohrane okruzhajushhej sredy Respubliki Saha (Jakutija)... G72; Pravitel'stvo Reps. Saha(Jakutija), M-vo ohrany prirody Resp.
Saha (Jakutija). - Jakutsk: Kompanija «Dani Almas», 2003 -... v 2011 godu: / [sost. Olesova A. I., Kychkina I. I.; nauchn. red. Grigor'ev V. A.]. - 2012. - 216 s.
3. Transport v respublike Saha (Jakutija): Statisticheskij sbornik/ Territorial'nyj organ Federal'noj sluzhby gosudarstvennoj statistiki po Respublike Saha (Jakutija) - Ja.:2012g. - 122s.
4. URL: http://www.podogrev.com.
5. URL: http://abvgd-auto.narod..ru
6. Druz'yanova V. P., Anisimov E. E. Avtotransport i okruzhayushchaya sreda // Nauka i mir. - 2013. - № 2 (2).
- S. 52-53.
7. Druz'yanova V. P., Anisimov E. E. Nekotorye puti uluchsheniya ekologichnosti pri ekspluatatsii dvigateley vnutrennego sgoraniya v usloviyakh nizkikh temperatur. Tekhnika i tekhnologii: rol' v razvitii sovremennogo obshchestva: Materialy II Mezhdunarodnoy nauchno - prakticheskoy konferentsii. 4 oktyabrya 2013 g.: Sbornik nauchnykh trudov. - Krasnodar, 2013.
- 224 s. ISSN 2308-7137. - S. 22-26.
8. Druz'yanova V. P., Anisimov E. E., «Al'ternativnyy metod ekspluatatsii avtomobiley v zimniy period» // Molodoy uchenyy -№ 4 (51), aprel' 2013 g.
9. Porshnevye DVS. Sovremennye principy konstruirovanija : ucheb. posobie / Konks G. A., Lashko V. A. Habarovsk: Izd-vo Tihookean. gos. un-ta, 2006.- 560 s.
10. Aktual'nye problemy sozdanija, proektirovanija i jekspluatacii sovremennyh dvigatelej vnutrennego sgoranija: sb. nauch. tr. / pod red. Lashko V. A. - Habarovsk : Izd-vo Tihookean. gos. un-ta, 2007. - Vyp. 4. - 226 s.
11. Aktual'nye problemy sozdanija, proektirovanija i jekspluatacii sovremennyh dvigatelej vnutrennego sgoranija: sb. nauch. tr. / pod red. Lashko V. A. - Habarovsk : Izd-vo Tihookean. gos. un-ta, 2012. - Vyp. 5. - 189 s.
^■HiHSr
