CC BY
1
3. Прусова В.И., Рахматулин Л., Пчелина М.В., Оси-пова Д.А. Современные тенденции и перспективы развития легкового транспорта в Москве // Экономика и бизнес: теория и практика. 2022. №1-1 (83). URL: https://cyberleninka. ru/article/n/sovremennye -tendentsii-i-perspektivy-razvitiya-legkovogo-transporta-v-moskve (дата обращения: 17.03.2022).
4. Цыпулев Денис Юрьевич Электротранспорт и его интеграция в интеллектуальные сети будущего // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. №1 (31). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/elektrotransport-i-ego-integratsiya-v-intellektualnye-seti-buduschego (дата обращения: 12.04.2022).
УДК 004.05:504.064:656.13
5. В России насчитывается 16,5 тысячи электромобилей [Электронный ресурс]. - URL: https://www.autostat.ru/infographics/51535/ (Дата обращения: 07.05.2022).
6. Транспортные приложения Москвы [Электронный ресурс]. - URL: https://tmos.ru/mostrans/aU_news/3905 (Дата обращения: 08.05.2022).
7. Растущее число электромобилей [Электронный ресурс]. - URL: https://ruslom.com/rastuschee-chislo-elektromobiley-tait-v-sebe-sereznuyu-problemu-utilizatsii-po-okonchanii-sroka-ih-ekspluatatsii/ (Дата обращения: 17.03.2022).
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ СТРАТЕГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ МАШИН СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
В.Н. Ложкин1
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 196105, Россия, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149.
На основе анализа технического состояния двигателей пожарных автомобилей предлагается стратегия обеспечения санитарно-гигиенической безопасности их применения в местах эксплуатации. Концепция основана на использовании новых знаний о природе образования проблемных N0 и РМ25 непосредственно в цилиндрах, а также внедрения оригинальных методов и оборудования для технического диагностирования отказов топливной аппаратуры, эмульгирования водой топлива и замены штатного глушителя шума устройством, совмещающим функции нейтрализации и глушения шума отработавших газов на выпуске. Применение на двигателе оригинальных методов в комплексе позволило по 13 режимному нагрузочному циклу повысить его безопасность на 2 экологических класса.
Ключевые слова: пожарный автомобиль, двигатель, поллютанты, диагностика, эмульгирование топлива, нейтрализация отработавших газов.
SCIENTIFIC AND TECHNICAL STRATEGY FOR ENSURING THE SAFE USE OF SPECIALPURPOSE MACHINES IN EMERGENCY SITUATIONS
V.N. Lozhkin
Saint-Petersburg University of State Fire Service of EMERCOM of Russia, 149 Moskovsky Prospekt, St. Petersburg, Russia, 196105 Based on the analysis of the technical condition of fire engine engines, a strategy is proposed to ensure the sanitary and hygienic safety of their use in the field of operation. The concept is based on the use of new knowledge about the nature of the formation of problematic NO and PM2.5 directly in cylinders, as well as the introduction of original methods and equipment for the technical diagnosis of fuel equipment failures, emulsification of fuel with water and replacement of the standard noise suppressor with a device that combines the functions of neutralization and noise suppression of spent exhaust gases. The use of original methods on the engine in a complex made it possible to increase its safety by 2 environmental classes for 13 regime load cycles.
Key words: fire truck, engine, pollutants, diagnostics, fuel emulsification, exhaust gas neutralization.
Введение. Состояние проблемы.
Пожарные автомобили (ПА), являясь в Российской Федерации основной техникой реагирования на чрезвычайные ситуации природного и
техногенного характера, непрерывно конструктивно совершенствовались в полифункциональном направлении [1] (рис. 1).
1Ложкин Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства ФГБОУ ВО, тел. +7 (812) 369-55-18, е-mail: vnlojkin@yan■ dex.ru.
а)
б)
Рисунок 1 - Полифункциональные модификации ПА [1]: АЦ 3.0-40/4 (43253) - с отвалом (толкающее усилие - 3000 кг), гидроприводным кран-манипулятором и световой мачтой (рис. 1 а); водоплавающий пожарный автомобиль АЦ 4.0 (рис. 1 б)
Однако, в условиях глобализации мировой экономики и остром конкурентном противостоянии в последние года России с западными странами, на протяжении 2000-2020 годов парк ПА в значительной своей части устаревал, что сопровождалось ростом доли ПА, требующих списания по моральному износу техники [1] (рис. 2).
При работе двигатели ПА выбрасывают в атмосферу с отработавшими газами (ОГ) сильнейшие токсичные, канцерогенные и мутагенные загрязнители (поллютанты) СО, СН, N0x5 бензо(а)пирен, РМ2.5 и парниковые газы СО2, СН4 [2, 3]. Как показали исследования в эксплуатации, проведенные в рамках инициативных изысканий [4], ПА в среднем по России имеют экологический уровень Еиго-0 - Биго-1 [5] (0 - 1 экологические классы).
а)
Следует отметить, что крайне незначительная часть от общего числа ПА [4], преимущественно для развивающихся инвестируемых территорий и столичных регионов РФ, соответствует экологическим уровням Еиго-4 - Биго-5 [5] (4 - 5 экологические классы), но которые могут поддерживаться поставками специализированного экологического оснащения, производимого в странах дальнего зарубежья, которые из-за санкций прекратились.
Для компенсации возникшей в РФ проблемы с поставками автомобилей и компонент для них из западных стран Правительство РФ, специальным Постановлением [6], существенно расширило диапазон экологических требований (в сторону их ослабления) при сертификации автомобильной продукции для отечественных производителей.
б)
= 2 I £
3 I
< <= 20
-ОАЦ ■ -й-АЛ -О-АПК »л
Годы
Рисунок 2 - Характеристика состояния ПА, в среднем, по РФ [1]: изменение числа ПА, подлежащих списанию (рис. 1 а); распределение парка основных ПА по возрастным группам (рис. 1 б).
Но, такое вынужденное, объективно не- ПА 0 - 1 экологических классов, вступило в про-обходимое, временное решение, в отношении тиворечие с природно-охранными требованиям
Научно-техническая стратегия обеспечения безопасного применения машин
РФ к санитарно-гигиеническому качеству воздуха в местах эксплуатации ПА [7]. В статье приводится теоретическая разработка кинетики окислительного катализа в оригинальном устройстве, применение которого, в комплексе с авторской технологией водного микро-эмульгирования топлива [8], разрешает отмеченное противоречие в условиях эксплуатации ПА.
Методика и результаты исследования
На кафедре пожарной техники Санкт-петербургского университета МЧС РФ разработано устройство, которое каталитическим путем дожигает продукты неполного окисления топлива в двигателях ПА [9].
Рисунок 3 - Устройство дожигания СО, СН, БП, PM2.5 дизельных двигателей ПА
Устройство было разработано на основе новых знаний о природе термохимического процесса, протекающего в каталитическом блоке (рис. 3) сотовой конструкции, с образованием сот между скручиваемыми плоскими и гофрированными стальными лентами толщиной 50 мкм. Носителем платинового катализатора Pt в блоке является тонкий пористый слой у-АЬОз, по отечественной технологии пропитанный плати-нохлористоводородной кислотой ЩРЮб].
Широко масштабными многолетними
^ dm ^ dt )
Г
Nu D ■ D
i
теоретическими и экспериментальными исследованиями на поршневых двигателях внутреннего сгорания, оборудованных авторскими конструкциями каталитических нейтрализаторов [8, 9], было установлено, что кинетика физико-химического явления может развиваться в зависимости от температуры ОГ, как в объеме сотовой ячейки блока, так и на катализаторе внутри пористого слоя. Оно хорошо согласуется с моделью «псевдообъемной» цепной реакции [9] для результирующей скорости процесса катализа (dm/dt)
D ri ■ k
эф
Nu п ■ D
D ~ ^ lD ф ■k1
1
■ C,
(1)
/
d
V.
/
V.
/
где Nud - диффузионное число Нуссельта;
D - число, характеризующее диффузию ОГ внутри ячейки блока;
ds^ - условный диаметр сечения ячейки
блока;
Ds, - число, условно характеризующее диффузию ОГ в пористом слое катализатора, понятие которого вытекает из соотношения
dc/dt = Ас -W'(c), (2)
где c - концентрация реагирующего вещества ОГ внутри слоя пористого катализатора; А -Лапласа оператор; W'(c) - скорость химической реакции в порах катализатора
Ш'(с) = к'с11, (3)
где к' - константа «псевдообъемной» гомогенной реакции в порах катализатора
к' = к^ , (4)
где - удельная внутренняя поверхность
пор, приходящаяся на единицу объема пористого катализатора, м2/м3;
к - число скорости химической реакции по закону Аррениуса («истиной» реакции [9]);
п - число, характеризующее порядок реакции по закону Аррениуса.
Модельные численные расчетные исследования по разработанной модели (1) ... (3), их
анализ и сопоставление с реальными режимами эксплуатации двигателя ПА, потребовали, для достижения температуры эффективной работы каталитического блока (400-600 0С), доосна-стить его, как это видно на рис. 3, дополнительными системами и агрегатами:
- принудительного разогрева трубчатым электрическим нагревателем (теном) на режимах «холодного старта» ПА;
- тепловым аккумулятором фазового перехода (капсулами с теплоаккумулирующим веществом) для разогрева ОГ в моменты вынужденных кратковременных остановок ПА при движении в городском режиме;
- тепловой изоляции с внешней средой (теплоизолирующая футеровка) для сохранения теплового режима работы каталитического блока и обеспечения пожарной безопасности устройства при аварийном перегреве катализатора.
Все перечисленные дополнительные системы устройства отрабатывались автором в течение длительного периода времени (многих лет). Это позволило добиться высокой очистки (нейтрализации) ОГ по СО, СН, БП, PM2.5, в зависимости от режимов эксплуатации двигателя ПА, - до 70-90% и выше [8, 9]. Эмиссия N0x уменьшалась методом водно-топливного эмульгирования [8].
На (рис. 4) показаны результаты испытаний двигателя ПА по процедурам 13 режимного теста Правил №49 Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН).
Правила №49ЕЭК ООН
16 14 12 10 8 6 4 2 0
т
*
н со
Г-П-.
□ Euro-3
□ СГ+ДТ
□ КН+ВТЭ
д(СО) д(СН)
g(NOx)
Рисунок 4 - Результаты испытаний оригинальных технологий и оборудования в комплексе по Правилам №49 ЕЭК ООН: (СГ+ДТ) - серийный глушитель и дизельное топливо; (КН+ВТЭ) -нейтрализатор-глушитель и водная эмульсия дизельного топлива
Заключение
Разработанная научно-техническая стратегия и, реализующие ее, оригинальные технологии и оборудование, как доказали теоретические исследования и результаты стендовых испытаний на полноразмерном поршневом двигателе, позволяют повысить безопасность специальной техники по санитарно-гигиеническим показателям (эмиссии СО, СН, БП, PM2.5, NOx ) на 2-3 экологических класса. Это позволит обеспечить качество воздушной среды в местах применения пожарных и аварийно-спасательных машин на уровне требований природоохранных стандартов.
Литература
1. Логинов В.И. Этапы и направления создания и производства пожарных автомобилей в современной России // В.И. Логинов, Д.Г. Мичудо, Н.В. Навценя, А.И. Пичугин, К.Ю. Яковенко / Пожарная безопасность. 2021. № 2 (97). С. 51-59.
2. Wael K. Al-Delaimy and others Health of People, Health of Planet and Our Responsibility. Climate Change, Air Pollution and Health / eBook, Springer, XXIII, 2020. - 417 s. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-030-31125-4.
3. Alonso F., Esteban C., Sanmartin J. and Useche S.A. Reported prevalence of health conditions that affect drivers / Cogent Medicine. - 2017. - V. 4. -doi.org/10.1080/2331205X.2017.1303920.
4. Сацук И.В. Закономерности распределения и технического состояния эксплуатируемых пожарных автомобилей по показателям конструктивной безопасности силовых установок / Сибирский пожарно-спа-сательный вестник», 2022, №2. - C.31-38. doi: 10.34987/vestnik.
5. Tier III technology development and its influence on ship installation and operation. CIMAC Congress 2013, 2013, paper no. 159, 11 p.
6. Постановление Правительства РФ от 15.06.2022 г. N 1269 «О внесении изменений в Правила применения обязательных требований в отношении отдельных колесных транспортных средств и проведения оценки их соответствия». URL: http://publica-tion.pravo. gov. ru/Document/View/.Wik C.
7. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2018 году» Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации.
URL: https://www.mnr.gov.ru/up-
load/iblock/821/%D0%93%D0%94-2018.pdf.
8. Гавкалюк Б.В., Ложкин В.Н. О научно-технической стратегии улучшения экологических характеристик пожарных автомобилей на современном этапе / Проблемы управления рисками в техносфере. 2022. № 4 (64). С. 73-79.
9. Lozhkin, V.N. Catalytic Converter with Storage Device of Exhaust Gas Heat for City Bus / V. Lozhkin, O. Lozhkina // Transportation Research Procedia. -2017. -V. 20. - P. 412-417. DQI:10.1016/j.trpro.2017.01.067.
