Содержание к диссертации
Введение
Необходимость разработки оперативных показателей изменения выброса загрязняющих веществ
1.1. Постановка задач исследования
1.2. Анализ методов контроля состояния воздушной среды
1.2.1. Методы контроля по концентрациям загрязняющих веществ
1.2.2. Методы контроля по величине выброса загрязняющих веществ
1.2.3. Оценка применимости метода контроля по концентрациям при исследовании транспортных источников
1.3. Параметры токсичности отработавших газов двигателей автомобилей
1.4. Показатели выброса, применяемые при расчетах загрязнения воздуха
ГЛАВА 2. Характеристика некоторых особенностей транспортных источников
2.1. Факторы, определяющие загрязнение воздуха транспортным источником
2.2. Влияние некоторых параметров ездового цикла на изменение выброса
2.3. Принципы формирования показателей токсичности
ГЛАВА 3. Исследование показателей изменения выброса
3.1. Сущность показателей изменения выброса
3.2. Теоретический анализ показателей
3.2.1. Связь градиента скорости с основными параметрами ездового цикла 64
3.2.2. Связь градиента скорости со спектральной плотностью ускорения 70
3.2.3. Влияние параметров транспортного потока на величину шума ускорения 76
85
3.3. Уровни условий движения по значениям градиента скорости 81
3.4. Оценка статистической устойчивости градиента скорости 3.5. Оценка влияния интервалов скорости и времени на величину градиента 92
3.6. Учет состава транспортного потока 96
ГЛАВА 4. Экспериментальная часть 105
4.1. Методика экспериментальных исследований Ю5
4.2. Обоснование способа использования расхода топлива для оценки изменения выброса 110
4.3. Зависимость изменения выброса от показателей токсичности П6
4.4. Определение связи градиента скорости с основными параметрами непрерывного однородного транспортного потока 123
4.5. Исследование влияния некоторых мероприятий организации движения на токсичность транспортных источников 128
4.6. Методика оперативной оценки степени влияния транспортных потоков на загрязнение воздуха 137
Основные выводы 140
Литература
- Анализ методов контроля состояния воздушной среды
- Факторы, определяющие загрязнение воздуха транспортным источником
- Связь градиента скорости с основными параметрами ездового цикла
- Обоснование способа использования расхода топлива для оценки изменения выброса
Введение к работе
Актуальность исследования.Для снижения влияния транспортных потоков на загрязнение воздуха наиболее оперативна реализация технических мероприятий по уменьшению токсичности отработавших газов на основе обеспечения допустимых условий движения. Исследования по оценке степени их влияния и по установлению границ допустимости являются актуальными.Они позволяют количественно определить возможности мероприятий по организации движения в общей системе мер по снижению загрязнения атмосферы,дать сравнительную оценку стандартным ездовым циклам, принятым в различных странах,и жесткости норм токсичности отработавших газов, что весьма важно для определения их перспективного изменения и дифференцированного применения в разных городах и районах.
Цель работы.Целью настоящего исследования является разработка метода оперативной оценки степени влияния транспортных потоков на загрязнение атмосферы и рекомендаций по его снижению путем организации допустимых условий движения.
Научная новизна.Мерой загрязнения воздуха принят приведенный по максимально разовым предельно-допустимым концентрациям пробеговый выброс окиси углерода и окислов азота, определяющих в наибольшей степени опасность загрязнения воздушной среды возможностью появления рефлекторных реакций у водителей.Для оценки ездовых циклов применен универсальный энергетический пара -
метр - градиент средней скорости. С его помощью осуществлена оценка ездового цикла ОСТ 37.001.054-74, и на этой основе установлены границы допустимости условий движения транспортных потоков. Разработан коэффициент состава источника для оценки влияния различных типов транспортных средств на изменение выброса загрязняющих веществ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Метод представления общего выброса загрязняющих веществ в виде суммы неизбежной и дополнительной частей для учета влияния на его величину скорости и неравномерности движения транспортных средств.
Способ обоснования достоверности применения для количественной оценки режима движения на городских улицах градиента средней скорости как универсального показателя изменения выброса.
Установленные границы уровней условий движения, основанные на оценке различных ездовых циклов.
Методика оперативной оценки степени влияния транспортных потоков на загрязнение воздуха.
Рекомендации по организации допустимых условий движения транспортных средств.
Анализ методов контроля состояния воздушной среды
Транспортный источник загрязняет атмосферный воздух вследствие свойств двигателей автомобилей выделять в процессе работы большой спектр загрязняющих веществ: азот,углекислый газ, окись углерода, окислы азота, альдегиды, углеводороды (этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен,толуол, ксилол, бутани т.д.), сложные ароматические углеводороды (пирен,бензпирен),сажу, сернистый газ, сероводород,свинец,марганец и т.п. В настоящее время в отработавших газах обнаружено около 1200 компонентов /39/. Выброс веществ двигателем автомобиля происходит в основном с отработавшими газами, 15...25$ углеводородов выделяются при испарении топлива из карбюратора и бака, 20...25$ выбрасывается с картерными газами /40, 78/. Большое количество загрязняющих веществ токсично.
Транспортные источники загрязнения атмосферы обладают рядом специфических особенностей,учет которых необходим на любом уровне рассмотрения проблемы. По существующей классификации /80/ их можно отнести к линейным наземным непрерывно действующим источникам с переменной мощностью выброса, расположенным непосредственно в селитебных районах города. Особую опасность для окружающей среды эти источники создают тем, что выброс осуществляется в приземном слое воздуха на очень небольшой высоте (менее I м).
В некоторых случаях при исследовании полей концентраций от транспортных источников они могут быть представлены как стационарные точечные, что позволяет в наибольшей мере воспользоваться результатами исследования таких источников /7, 8/. При этом источниками назначают перекрестки транспортной сети, а выбросы на прегонах принимают как фоновое загрязнение.
Более высокий уровень описания имеет место, если предположить,что источники распределены по некоторой площади относительно равномерно и в качестве собственно транспортного источника рассматривается, например, сеть дорог отдельного района города, по которым осуществляется движение транспортных потоков.Критерием для деления территории города на районы может служить отношение суммарной протяженности улиц к площади зоны.В этом случае параметрами, определяющими загрязнение воздуха,являются количество загрязняющих веществ, поступающих с единицы территории в единицу времени,координаты точки,в которой определяется загрязнение, высота ее и параметры диффузии в этой точке.
При таком описании транспортных источников изменение выброса веществ в явном виде мало зависит от условий движения.
В связи с этим всю систему дорожного движения в городе предлагается рассматривать как сумму транспортных источников загрязнения атмосферы.В качестве источников следует рассматривать транспортные потоки на отдельных улицах города,характеризующихся длиной, шириной проезжей части, частотой пересечений, наличием средств организации движения и методами управления.
Выявить степень влияния транспортных потоков можно при условии, если имеется количественная мера загрязнения воздуха транспортным источником и критерий его токсичности.Указанная мера загрязнения должна быть чувствительной к изменению состояния воздушной среды,вызванного мероприятиями по организации движения. Крите рий. токсичности представляет собой разность между существующим и допускаемым значениями меры загрязнения.Если эта разность отсутствует,то влияние условий движения на загрязнение воздуха минимально.В случае, когда и такой уровень загрязнения по абсолютной величине превышает санитарно-гигиенические нормы, его уменьшение уже необходимо проводить мероприятиями, направленными на изменение других факторов, влияющих на состояние воздушной среды.
Оперативное использование таких критериев возможно, если: во-первых - имеются пригодные для этой цели показатели меры загрязнения и ее изменения; во-вторых - установлены их допустимые границы на основе той части требований к качеству воздушной среды, которые зависят от условий движения транспортных потоков.
Пригодность показателей следует оценивать в первую очередь по степени оперативности, трудоемкости и достоверности получения их значений. Поскольку они характеризуют весьма сложный процесс воздействия на окружающую среду, определяемый множеством разнородных факторов, показатели могут быть косвенными, если прямые не удовлетворяют вышеперечисленным требованиям.
В этом случае должна быть установлена связь показателей с мерой загрязнения и ее характер.
Показатели меры и ее изменения должны адекватно отражать те характеристики плотных транспортных потоков, выступающих в качестве источников загрязнения воздуха на городских улицах, которые в наибольшей степени зависят от качества организации движения и в основном определяют уровень воздействия на среду. Значения показателей, соответствующие условиям движения однородного, непрерывного транспортного потока с максимальной интенсивностью и минимальными изменениями скорости можно считать близкими к тем,которые характеризуют минимальное влияние на загрязнение.
Факторы, определяющие загрязнение воздуха транспортным источником
Как было отмечено в п. 1.3., мерой токсичности транспортного источника является величина пробегового выброса загрязняющих веществ. В результате баланса между выбросом веществ и их расходом в воздухе устанавливаются какие-то концентрации. Выброс служит одновременно и мерой загрязнения воздуха, если известна закономерность изменения расхода.
Расход определяется метеорологическими условиями, среди которых, как показано многочисленными исследованиями (п. 1.4), важнейшим фактором является скорость ветра. Ее влияние на расход в течение 30 минут (время осреднения для ЩК максимально разовых) намного выше, чем возможность химических реакций в атмосфере (окись углерода и окислы азота не реагируют между собой и с альдегидами, двуокисью серы и углерода), изменение влажности, температуры. Вследствие этого расход обратно пропорционален скорости ветра (п. 1.4). Другими факторами окружающей среды можно пренебречь. Изменение влияния потоков на загрязнение воздуха определяется тогда степенью вариации выброса при данной скорости ветра.
Специфической особенностью транспортных источников является то,что их выброс складывается из дискретных выбросов отдельных автомобилей эта величина-переменная в пространстве и времени.Пусть транспортный источник в самом простом виде представляет совокупность автомобилей одного типа с равными параметрами, движущихся друг за другом на одинаковом расстоянии с какой-то постоянной скоростью.Величина его выброса на участке дороги длиной "X" постоянна и будет равна U = w То г/м (2.1) где W - выброс загрязняющих веществ одним автомобилем на единицу длины, г/м; do - расстояние между автомобилями, м.
Если такой источник включает автомобили разного типа (легковые, грузовые, автобусы и т.п.), и они будут двигаться опять же с постоянной скоростью, то величина выброса будет представлять некоторую случайную функцию. Если типы Sn следующих друг за другом автомобилей образуют марковскую цепь N состояний, то распределение расстояний между автомобилями Gu(x) зависит от их типов /56/, т.е. (предполагая стационарный марковский процесс) GL)(x) = P{Xn+-Xn x}-. 9,,1 = 1, Sn+ =j . (2.2)
Плотность вероятностей состояний этого процесса Xij(x). Тогда X LJ(x)cLx есть ожидаемое количество автомобилей типа j , следующих за автомобилями типа L на расстоянии (X7X + dx). Общее среднее расстояние между автомобилями в таком потоке равно cL=HPLi;PgdLj , м , (2.3) ы1 \-\ d.Lj = xdG-LjU), и , (2.4) где PLJ - вероятность того, что за автомобилем типа L следует автомобиль типа І ; pL - доля автомобилей типа L в потоке. Для обычного случайного стационарного процесса плотность ве (ТЁЩ ТПЕН;!..:: Г Т. J і роятностей равна Можно считать, что выброс каждым автомобилем WL - последовательность случайных величин, распределение которых зависит от типа автомобиля и скорости движения. В этом случае средняя величина выброса одним автомобилем (2.6) и выброс источником равен QTH = II Pj Wj j 21 ALJ (x)dx . (2.7) H о M или QTH=Z.p.Wj JGLJ(X)CLX/CL. (2.8) J=/I 0
Таким образом, для транспортного источника даже такого упрощенного вида будут иметь место флуктуации выброса, величина которых определяется значением A Lj(x) ,W, Wj . Эти флуктуации тем больше, чем больше разнороден состав Р. потока, чем больше диапазон изменения расстояния cLlj , что зависит от величины и частоты изменения скорости. Следовательно, выброс транспортного источника как мера загрязнения воздуха зависит в первую очередь от таких параметров системы дорожного движения, как интенсивность и состав. В реальных условиях движения к тому же и скорость не может быть постоянной, она меняется в широких пределах и часто, особенно, в городских условиях. Ее изменение кроме того приводит и к вариации выброса W .
Связь градиента скорости с основными параметрами ездового цикла
Шум ускорения является энергетическим параметром транспортного потока, характеризует степень неравномерности его ездового цикла. Если рассматривать источник как систему, то ездовой цикл является процессом этой системы, показателем которого выступает скорость движения. То есть скорость определяет уровень состояния этой системы. Однако система находится в динамике, уровни непрерывно изменяются. Изменение же уровней определяется только темпами процесса системы /92/. В этом смысле градиент средней скорости транспортного потока есть темп процесса, он подчеркивает и количественно определяет динамику движения.
К любому параметру, с помощью которого пытаются описать тот или иной процесс, предъявляются определенные требования. Он может быть либо одним из наиболее существенных в описании целевой функции, все остальные выступают в качестве ограничений, либо используют обобщенный параметр как некоторую функцию от множества исходных.
В нашем случае градиент средней скорости - обобщенный показатель изменения выброса загрязняющих веществ, учитывающий неравномерность движения наряду со скоростью. Он удовлетворяет веек остальным требованиям - имеет физический смысл, выражается числом, т.е. количественный, обладает свойством универсальности. Универсальность для показателей выброса загрязняющих веществ вообще имеет большое значение при рассмотрении транспортных источников. Огромное число факторов, оказывающих влияние на образование и выброс вещества, нелинейный в подавляющем числе случаев характер этого влияния, желание получить объективную оценку изменения выброса и, следовательно, состояния среды обусловливает требование универсальности. Это требование тем более необходимо, что при оценке токсичности автомобилей в разных странах используются различные методы, не позволяющие сравнить результаты из-за их неприводимости друг к другу, что объясняется как раз отсутствием универсальных показателей. Можно ли считать таковым градиент скорости транспортного потока? Чтобы утвердительно ответить на этот вопрос, следует исследовать структуру данного показателя и выяснить значимость влияния на выброс составляющих этой структуры.
Как отмечено в п. 2.2., исследования Эстермана М. показали, что вид ездового цикла с достаточной полнотой определяется пятью основными параметрами. Его результаты исследования изменения выброса окиси углерода и объема отработавших газов в зависимости от этих параметров свидетельствуют о пригодности такой модели цикла для оценки влияния режима движения на токсичность автомобилей в городских условиях. Если структура градиента скорости включает в себя основные параметры или их аналоги, то его также можно считать пригодным и универсальным показателем.
Ускорение и замедление как параметры цикла количественно характеризуют процесс изменения скорости движения. Однако этот процесс количественно можно оценить и с помощью абсолютного изменения скорости в единицу времени, т.е. с помощью величины (с учетом обозначений в формуле 3.6)
Обоснование способа использования расхода топлива для оценки изменения выброса
Предположение о наличии линейной связи расхода топлива автомобилем при движении по какому-либо ездовому циклу с приведенным выбросом загрязняющих веществ исходит из анализа процессов, происходящих в двигателе при его работе в данных условиях движения.
Как было показано в п. 2.2, выброс загрязняющих веществ с отработавшими газами существенно зависит от неравномерности движения, т.е. от наличия неустановившихся режимов работы двигателя. Это объясняется особенностями образования окиси углерода и окислов азота в процессе работы двигателя. Окись углерода образуется всегда при неполном сгорании горючей смеси в цилиндрах, когда имеет место ее переобогащение топливом. Следовательно, в этом случае расход топлива тоже возрастает. Окислы азота - продукты химических реакций, вызванных высокими температурами в процессе сгорания. Изменение этих факторов при работе двигателя влечет за собой изменение в ту или иную сторону содержания данных загрязняющих веществ в отработавших газах, что в конечном счете определяет и величину выброса, и величину расхода топлива.
При установившемся режиме работы карбюраторного двигателя с коэффициентом избытка воздуха «L , близким или большим.!, окись углерода образуется в незначительном количестве, токсичность отработавших газов определяется в основном окислами азота. У дизеля, работающего при значительном большем L , окись углерода на этом режиме практически отсутствует. Абсолютное количество загрязняющих веществ в этом случае зависит от совершенства процесса смесеобразования, технического состояния и регулировок систем подачи и воспламенения топлива, конструкции камер сгорания,впускного трубопровода и т.д. Снижением температуры процесса сгорания и ликвидацией избыточного кислорода (например, при рециркуляции отработавших газов) можно значительно уменьшить содержание окислов азота и обеспечить очень низкую токсичность двигателя на этом режиме.
Неустановившиеся режимы характеризуются разгоном и замедлением коленчатого вала, постоянным изменением нагрузки. При резком открытии дроссельной заслонки карбюратора скорость поступления воздуха в цилиндры двигателя практически так же резко увеличивается, однако поступление топлива запаздывает, в результате чего на режиме разгона наблюдается рассогласование в фактическом и требуемом составе смеси. Для уменьшения его в конструкциях карбюратора предусматривается ускорительный насос, который резко увеличивает подачу топлива. Тем не менее подаваемое им топливо не успевает испариться, оседает в виде пленки на стенках впускного трубопровода. В первый момент после открытия заслонки горючая смесь резко обедняется, что приводит к большому выбросу окислов азота. Поступление затем большого количества топлива вызывает уже повышенное образование окиси углерода (в 3,5...12,0 раз больше, чем на установившемся режиме) /48, 88/. Таким образом, увеличение приведенного выброса на разгоне обусловлено как характером процесса, так и увеличением расхода топлива.
У дизеля на разгоне рассогласования практически не происходит, изменение коэффициента избытка воздуха следует в соответствии с изменением нагрузки. При этом, естественно, часовой выброс окислов азота увеличивается.
На режиме замедления карбюраторный двигатель работает на принудительном холостом ходу - дроссельная заслонка закрыта, нагрузка отсутствует, горючая смесь обогащается, происходит значительный выброс окиси углерода. дизеля на этом режиме осуществ ляется цикловая подача топлива холостого хода, имеется значительный избыток воздуха, поэтому токсичность и расход топлива не возрастают.
