CC BY
57
УДК 656.13
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
В.М. Вольвач, студент, А.Г. Батракова, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Предложен подход к обоснованию геометрических параметров трассы автомобильной дороги, в частности, пространственной кривизны проектной линии, а также изложены основные результаты вычислительных экспериментов.
Ключевые слова: карбюраторный двигатель, предельнодопустимые нормы, максимальная техническая скорость.
Введение
Обширный круг задач, связанных с проблемами рационального использования топливно-энергетических ресурсов и экологической безопасностью, настоятельно стимулирует разработку эффективных методов снижения отрицательного воздействия автомобильной дороги на окружающую среду еще на стадии проектирования.
Анализ публикаций
Согласно действующим нормам [1], п. 5.6 «... при выборе варианта дороги следует учитывать загрязнение придорожной полосы выхлопными газами двигателей, твердыми выбросами, пылью...». При этом возрастает роль выбора соответствующих показателей, позволяющих судить об эффективности принимаемых проектных решений. В качестве таких показателей могут быть использованы расход топлива при движении и выбросы загрязняющих веществ. В этом случае ключевыми являются задачи:
- обоснования геометрических параметров трассы автомобильных дорог, обеспечивающих уменьшение выбросов загрязняющих веществ;
- разработки надлежащего математического аппарата для реализации принимаемых проектных решений.
Цель и постановка задачи
Целью работы является обоснование подхода к назначению геометрических параметров элементов трассы, базирующегося на использовании критерия, отражающего экологические требования, предъявляемые к проектам автомобильных дорог.
Ход исследования
Основным показателем состояния двигателя автомобиля является его топливная экономичность, характеризующаяся расходом топлива при движении. Очевидно, что наибольшее влияние на пробеговый расход топлива оказывают скорость движения автомобиля, а также геометрические элементы плана и продольного профиля автомобильной дороги. Следовательно, оптимизируя скорости движения автомобилей и параметры геометрических элементов плана и продольного профиля, можно существенным образом снизить расход топлива, а значит существенно уменьшить выбросы загрязняющих атмосферу веществ.
Состояние атмосферного воздуха определяется количеством выбросов загрязняющих атмосферу веществ. Основными выбросами для автомобилей с карбюраторными двигателями являются выбросы оксида углерода СО, окислов азота N0 и углеводородов СН, для автомобилей с дизельным двигателем -
СО, N0, СН и сажа. Наиболее полно состояние атмосферного воздуха характеризует не выброс каждого отдельно взятого вещества, а их совокупный выброс и степень токсичности ингредиентов, содержащихся в выхлопных газах автомобиля. Поэтому в качестве основного показателя состояния среды следует принять суммарный приведенный к СО выброс загрязняющих атмосферу веществ, определяемый по формуле [2]
к = А + + Вз^ +
ПДК2
ПДКз
... + Вп
ПДК, ПДКп
(1)
где Впр - пробеговый выброс, приведенный к
В1, г/км; В - пробеговый выброс вещества, к которому осуществляется приведение, г/км; ПДК1,..., ПДК п - предельнодопустимые концентрации веществ.
Аналитическое решение задачи отыскания скорости движения, обеспечивающей минимум суммарных выбросов, затруднительно из-за сложности связи Впр = f ) . Поэтому расчет выбросов при различных заданных скоростях движения производился по программе N0RM-EK0. Результаты расчета для одиночного легкового автомобиля ГАЗ-24 представлены на рис. 1.
0 20 40 60 80 100 120 140
Скорость движения, км/ч
Рис. 1. Связь приведенного к СО пробегового выброса автомобиля ГАЗ-24 со скоростью и продольным уклоном. Цифры у кривых - продольный уклон
В результате расчетов установлены скорости движения, при которых суммарный приведенный к СО выброс загрязняющих атмосферу веществ минимальный. Это позволяет определить оптимальную по выбросам скорость - как норму скорости, а выброс как нормальный по состоянию окружающей среды.
С другой стороны, предельным по состоянию среды может считаться выброс, при котором приведенная к СО концентрация на границе полосы отвода будет больше или равна ПДК. Поскольку при проектировании автомобильной дороги рассматривается движение одиночного легкового автомобиля, то достижение таких концентраций в скоростном диапазоне автомобиля невозможно. Максимальный суммарный пробеговый выброс наблюдается при движении автомобиля со скоростью, равной его максимальной технической скорости. Поэтому эта скорость может быть принята в качестве предельной по показателям состояния среды, а суммарный приведенный к СО выброс охарактеризован как предельный.
Нормальные и предельные скорости по состоянию среды представлены в табл. 1.
Таблица 1 Нормы и предельнодопустимые значения скоростей движения по состоянию атмосферного воздуха
i, % Нормальные значения показателей Предельные значения показателей
приведенный к СО выброс, епрн,г/км скорость, Ун, км/ч приведенный к СО выброс, Qnp , пр г/км скорость, Упр,к м/ч
0 44,82 44 153,909 147,00
20 55,62 66 169,308 139,00
40 62,05 73 184,707 127,00
50 65,49 71 191,803 121,00
60 69,01 68 200,106 115,00
80 75,53 64 215,505 100,00
Анализ расчетов показал, что наименьшие выбросы обеспечиваются при минимальном продольном уклоне. С увеличением продольного уклона количество выбросов возрастает.
В свою очередь, скорость движения одиночного легкового автомобиля существенным образом зависит от геометрических параметров трассы, в частности от пространственной кривизны трассы, рис. 2.
Таблица 2 Нормальные и предельнодопустимые значения кривизны трассы по состоянию
атмосферного воздуха
i,%o Нормальные значения показателей Предельные значения показателей
Ун, км/ч кривизна ю н Ч10- 4, 1/м Упр, км/ч кривизна ю пр Ч10 4, 1/м
категория дороги категория дороги
II III IV II III IV
0 44 251,27 197,74 187,34 147 0,512 0,688 0,453
20 66 25,59 24,163 18,68 139 0,576 0,634 0,387
40 73 11,36 11,54 9,46 127 0,590 0,709 0,474
50 71 - 11,46 9,86 121 - 0,796 0,614
60 68 - - 11,83 115 - - 0,822
100 -у 90 -
И 80 ;
£70 -
а60 :
50 -40 -30 -
о
\ч:чч
ЧЧ
—-в
г
)
100 -90 -
I 80 -
И -
й'70 :
g 60 -& -
S3 50 -°40 ; 30 -
200 4 Кривизна, ю *10-4
300 1/м
г+1-
ЬйК:
W
Л- -
Кривизна, й*10 , 1/м
Рис. 2. Связь скорости движения одиночного легкового автомобиля ГАЗ- 24 с кривизной трассы дорог [3]: а - II, б - III категорий
Расчет скорости движения одиночного легкового автомобиля по трассе с различной пространственной кривизной позволил установить характер связи между этими параметрами [3]
v = 4-
ю6 ■
(2)
где a, b - коэффициенты уравнения.
Тогда движение по трассе с нормальными и предельными скоростями возможно при кривизне трассы, имеющей соответственно нор -мальные и предельные значения по состоянию среды.
Решение уравнения (2) относительно кривизны трассы позволило установить нормальные и предельные значения пространственной кривизны трассы по состоянию атмосферного воздуха. Результаты расчетов для автомобильных дорог различных категорий представлены в табл. 2.
Выводы
Таким образом, в работе предложен подход к обоснованию геометрических параметров трассы автомобильной дороги, в частности, пространственной кривизны проектной линии, а также изложены основные результаты вычислительных экспериментов. В рамках этого подхода, базирующегося на теории системного проектирования [4], обеспечение допустимых выбросов загрязняющих атмосферу веществ является эффективным инструментом повышения экологической безопасности на этапе проектирования автомобильных дорог. Полученные результаты могут быть использованы как при проектировании, так и при реконструкции автомобильных дорог.
Литература
1. ВБН.В.2.3-218-007-98. Еколопчш вимоги
до автомобшьних дорт (Проектування).
- К.: Укрбудшформ, 1998. - 34 с.
2. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и
снижение токсичности на автомобильном транспорте. - М.: Транспорт, 1990.
- 135 с.
3. Батракова А.Г. Определение геометриче-
ских параметров трассы в задачах автоматизированного проектирования // Вестник ХГАДТУ. - 2002. - Вып. 17. -С. 83-86.
4. Гаврилов Э.В., Гридчин А.М., Ряпухин В.Н.
Системное проектирование автомобильных дорог. - Москва - Белгород: Изд-во АСВ, 1998. - 138 с.
Рецензент: В.А. Юрченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 11 сентября 2008 г.
а)
а
0
б
0
