Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса 10
1.1. Загрязнение атмосферы токсичными компонентами отработавших газов автомобилей 10
1.1.1. Классификация загрязняющих веществ, выбрасываемых с отработавшими газами 10
1.1.2; Факторы, влияющие на содержание загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей 11
1.1.2.1. Влияние температуры окружающего воздуха на содержание загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей 14
1.1.2.2. Влияние режимов работы двигателя на содержание загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей 20
1.1.3. Показатели, характеризующие токсичность отработавших газов 23
1.1.4. Нормирование токсичности отработавших газов автомобилей 25
1.1.5. Анализ методов измерения содержания загрязняющих веществ в отработавших газах... 27
1.1.5.1. Метод непосредственного измерения , 27
1.1.5.2. Метод анализа общего объема смеси газов за ездовой цикл 27
1.1.5.3. Метод частичного отбора проб за цикл ездки с разбавлением их инертным газом 28
1.1.5.4. Метод анализа разбавленных воздухом проб 28
1.1.5.5. Метод анализа индивидуальных проб газа 29
1.1.5.6. Экспресс-метод газового анализа по ГОСТ 52003-2003 .30
1.2. Анализ методов оценки суровости низкотемпературных условий эксплуатации 32
1.3. Существующие подходы к оценке приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности отработавших газов 35
1.4. Анализ существующего механизма взимания платы за выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами автомобилей 37
1.5. Выводы и задачи исследования 39
ГЛАВА 2. Аналитические исследования 41
2.1. Общая методика исследований 41
2.2. Обоснование выбора предмета исследования 43
2.2.1. Марки и модели автомобилей 43
2.2.2. Загрязняющие вещества 47
2.3. Построение математических моделей влияния низкотемпературных условий эксплуатации на объемное содержание СО и CnHm в отработавших газах 47
2.4. Разработка метода расчета массового содержания загрязняющих веществ и суммарной токсичности отработавших газов 48
2.5. Построение математической модели влияния низкотемпературных условий эксплуатации на суммарную токсичность отработавших газов 50
2.6. Разработка оценки приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности отработавших газов 52
2.6.1. Установление рациональных интервалов суровости низкотемпературных условий эксплуатации 52
2.6.2. Разработка показателя приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по суммарной токсичности отработавших газов 54
2.6.3. Разработка метода установления рациональных диапазонов приспособленности к низкотемпературным условиям по суммарной токсичности отработавших газов 55
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования 57
3.1. Методика экспериментальных исследований 57
3.2. Методология проведения экспериментальных исследований 58
3.2.1. Выбор метода 58
3.2.2. Погрешность метода 58
3.3. Проведение экспериментальных исследований 61
3.3.1. Приборы и оборудование, использованные при проведении измерений 62
3.3.1.1. Газоанализатор 62
3.3.1.2. Барометр 64
3.3.1.3. Термометр ...64
3.3.1.4. Тахометр 65
3.3.2. Методика проведения измерений 65
3.4. Обработка результатов экспериментальных исследований 67
3.4.1. Выявление грубых погрешностей измерений 67
3.4.2. Проверка согласия опытного распределения экспериментальных данных с теоретическим 69
3.4.3. Оценка погрешностей измерений 72
3.4.4. Результаты корреляционно-регрессионного анализа экспериментальных данных 77
3.4.4.1. Результаты корреляционно-регрессионного анализа экспериментальных данных по объемному содержанию загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей 78
3.4.4.2. Результаты корреляционно-регрессионного анализа данных по суммарной токсичности отработавших газов автомобилей 82
3.5. Реализация разработанной оценки приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности отработавших газов 84
3.5.1. Определение численных значений показателя приспособленности 84
3.5.2. Установление рациональных диапазонов приспособленности 85
3.5.3. Оценка качества классификации автомобилей по значению параметра приспособленности к низкотемпературным условиям эксплуатации 87
ГЛАВА 4. Пути практического использования результатов исследования 89
4.1. Разработка «Методики дифференцированного корректирования платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу» 89
4.1.1. Оценка суровости зимнего периода заданного пункта эксплуатации 89
4.1.2. Оценка приспособленности автомобилей находящихся в эксплуатации к низкотемпературным условиям по токсичности отработавших газов 90
4.1.3. Дифференцированное корректирование платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу 91
4.2. Выбор автомобиля, основанный на экологических и экономических показателях эксплуатации 100
4.3. Экологический и экономический эффект от внедрения результатов исследований 101
Основные результаты и выводы 103
Список использованной литературы 105
- Факторы, влияющие на содержание загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей
- Анализ методов оценки суровости низкотемпературных условий эксплуатации
- Построение математических моделей влияния низкотемпературных условий эксплуатации на объемное содержание СО и CnHm в отработавших газах
- Реализация разработанной оценки приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности отработавших газов
Введение к работе
Актуальность темы. Удельный вес автомобильного транспорта в загрязнении атмосферы городов достигает 80 %, а содержание токсичных веществ в воздухе населенной зоны местами не только превышает предельно допустимые концентрации, но и продолжает неуклонно расти. В связи с этим борьба с загрязнением атмосферы отработавшими газами автомобилей является одной из наиболее острых проблем современности.
Содержание загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей, как одна из основных характеристик их экологичности [71, с. 5], зависит от различных факторов условий эксплуатации, среди которых важную роль играет температура окружающего воздуха.
Большая часть территории нашей страны относится к зоне холодного климата, для которой характерны низкие температуры воздуха в зимний период. Однако закономерности изменения экологичности автомобилей различных марок и моделей в этих условиях исследованы недостаточно. Это препятствует разработке научно обоснованного подхода к определению платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и, прежде всего, ее дифференцированному корректированию с учетом суровости низкотемпературных условий эксплуатации и приспособленности автомобилей к этим условиям.
Необходимость дифференцированного корректирования платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу обусловливается потребностью создания механизма экономического стимулирования повышения экологичности автомобилей и свидетельствует об актуальности исследований в этом направлении.
Данная работа выполнена в соответствии с Тематическим планом госбюджетных НИР ТюмГНГУ.
Целью исследования является улучшение экологичности автомобилей путем использования методики дифференцированного корректирования платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, разработанной на основе установления закономерностей влияния низкотемпературных условий эксплуатации
на токсичность отработавших газов.
Объект исследования - процесс изменения выбросов загрязняющих ве-
>х ществ с отработавшими газами автомобилей при понижении температуры ок-
ружающего воздуха, а предмет исследования — этот процесс для автомобилей ряда конкретных марок и моделей (ВАЗ, УАЗ, ГАЗ, Иж, ЗиЛ) с бензиновыми двигателями.
Методологической основой исследования служит системный анализ, основы технической эксплуатации автомобилей, основы химмотологии, теория вероятностей и математическая статистика, научные основы приспособленности автомобилей.
Научная новизна работы.
- выявлены закономерности влияния низкотемпературных условий экс
плуатации на изменение объемного содержания загрязняющих веществ (СО и
CnHm) и суммарной токсичности отработавших газов автомобилей, которые
описываются квадратичными математическими моделями приспособленности.
v* Доказана их адекватность, и определены численные значения входящих в них
параметров применительно к автомобилям ряда конкретных марок и моделей;
-установлен показатель приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по суммарной токсичности отработавших газов, и определены его численные значения для автомобилей ряда конкретных марок и моделей;
определены рациональные интервалы суровости низкотемпературных условий эксплуатации и рациональные диапазоны приспособленности автомобилей к этим условиям;
разработана «Методика дифференцированного корректирования платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу», учитывающая суровость низкотемпературных условий эксплуатации и приспособленность автомобилей к этим условиям. Оценен экологический и экономический эффект от ее внедре-
> ния.
s Практическая ценность работы. Использование «Методики дифферен-
цированного корректирования платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу» направлено на уменьшение выброса загрязняющих веществ с отработавшими газами в низкотемпературных условиях эксплуатации за счет разработанного механизма экономического стимулирования повышения экологичности автомобилей путем дифференцированного корректирования размеров платы за загрязнение окружающей среды. На защиту выносятся:
закономерности влияния низкотемпературных условий эксплуатации на изменение объемного содержания СО и CnHm и суммарной токсичности отработавших газов автомобилей, которые описываются квадратичными математическими моделями приспособленности, показатели их адекватности и численные значения входящих в них параметров применительно к автомобилям ряда конкретных марок и моделей;
показатель приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по суммарной токсичности отработавших газов и его численные значения для автомобилей ряда конкретных марок и моделей;
рациональные интервалы суровости низкотемпературных условий эксплуатации и рациональные диапазоны приспособленности автомобилей к этим условиям;
«Методика дифференцированного корректирования платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу», учитывающая суровость низкотемпературных условий эксплуатации и приспособленность автомобилей к этим условиям.
Реализация результатов работы. На основе полученных результатов исследования разработана «Методика дифференцированного корректирования платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу», учитывающая суровость низкотемпературных условий эксплуатации и приспособленность автомобилей к этим условиям, внедренная в Департаменте по охране окружающей среды Тюменской области и используемая в учебном процессе ТюмГНГУ при подготовке инженеров автотранспортных специальностей.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях кафедры эксплуатации автомобильного транспорта ТюмГНГУ (2002,2003,2004 гг.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (Тюмень: ТюмГНГУ, 2002), на V Российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург: ОГУ, 2002), на Межвузовской студенческой научно-технической конференции «Инновации и эффективность производства» (Тюмень: ТюмГНГУ, 2002), на Международной специализированной выставке «Город 2002», «Автосалон», «Автозаправочный комплекс» (Тюмень: ТюмГНГУ, 2002), на Областной научно-методической конференции «Роль информационных технологий в обучении: проблемы, перспективы, решения» (Тюмень: ТюмГНГУ, 2003), на VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза: ПТУ, 2003), на Региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (Тюмень: ТюмГНГУ, 2003), в рамках научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, 2004), на III Международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза: 111 У, 2004).
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 13 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 104 страницы текста (в том числе 38 таблиц и 16 рисунков), список литературы из 110 наименований и 10 приложений.
Факторы, влияющие на содержание загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей
Проблеме уменьшения загрязнения окружающей среды токсичными компонентами отработавших газов в настоящее время уделяется большое значение. Данная проблема рассмотрена в работах [7, 26, 35, 48, 51, 53, 56, 57, 61, 72, 74, 75, 77, 78, 98].
В работе [70, с. 180] приводятся факторы, которые оказывают влияние на токсичность отработавших газов: - тип двигателя (дизельный, карбюраторный, газовый); - режим работы двигателя (нагрузочный, скоростной, температурный); S - техническое состояние двигателя (износы цилиндропоршневой группы, », газораспределительного механизма, топливной аппаратуры, загрязнение воз душных фильтров, нагары и состояние регулировок систем и механизмов); . - атмосферные условия (температура, давление, влажность) - качество топлива (наличие антидетонаторов, противодымных присадок, содержание серы).
В работе [51, с. 17] указываются следующие основные факторы: Факторы, определяющие конструктивные особенности автомобиля в целом и характеризующие его двигатель, как источник выброса загрязняющих веществ: - тип и модель автомобиля; - собственная масса и грузоподъемность или пассажировместимость ав г томобиля; v - тип применяемого двигателя и его универсальная токсическая характе ристика; - тип применяемой трансмиссии, ее передаточные числа и механический КПД; - характеристики ходовой части (динамический радиус и радиус качения колес, момент инерции колеса); - фактор сопротивления воздуха.
Дорожные факторы: , - общая характеристика дороги; - тип покрытия и его характеристики (коэффициент сопротивления качению колес автомобиля, коэффициент сцепления, ровность покрытия); - продольный профиль и план дороги; f» - наличие и тип пересечений и пешеходных переходов и расстояния между ними; - принятый метод управления дорожным движением.
Факторы, определяющие влияние водителя на количество загрязняющих выбросов автомобилем: - скорость перемещения органа управления двигателем; - момент и время переключения передач; - скорость движения автомобиля и передача в коробке передач, выбранные в данных условиях; -режим движения (движение со скоростью, близкой к постоянной, разгон-накат), применяемый водителем. Факторы, характеризующие условия движения автомобиля в транспортном потоке: - интенсивность движения; - состав транспортного потока. Факторы, характеризующие климатические условия: - температура воздуха и атмосферное давление; - влагосодержание воздуха.
При составлении рассмотренной классификации не учитывалось, что одни и те же факторы, являющиеся характеристиками автомобиля, могут принимать различные значения в зависимости от эксплуатационных условий. Прежде всего, это относится к токсической характеристике двигателя, которая значительно меняется в зависимости от технического состояния и регулировок его систем и механизмов. Большое влияние на токсичность бензинового двигателя оказывают регулировки систем питания и зажигания, дизеля - системы топли-воподачи [51, с. 17].
Приведенная выше классификация представлена в виде блок-схемы на рис. 1.1. Условия эксплуатации
Факторы, определяющие Факторы, определяющие изменение содержание загрязняющих содержания загрязняющих веществ в веществ в отработавших газах отработавших газах Приведенные факторы условий эксплуатации оказывают существенное воздействие на содержание загрязняющих веществ в отработавших газов автомобилей, однако в данной работе рассматривается только влияние низкотемпературных условий эксплуатации на содержание загрязняющих веществ в отработавших газах автомобилей при разных режимах работы двигателя. Поэтому количество рассматриваемых факторов ограничим двумя: природно-климатические условия и режим работы двигателя. Одним из основных факторов природно-климатических условий эксплуатации является температура окружающего воздуха [8, 9]. Наибольшее влияние природно-климатические условия оказывают на работу карбюраторных двигателей [35, с.58]. Это объясняется нарушениями процесса смесеобразования в карбюраторе, уменьшением весового заряда воздуха в смеси и ухудшением на полнения [66, с.79]. Действия природно-климатических факторов условий эксплуатации в экстремальных условиях вызывают увеличение расхода топлива на 8... 10% [63, с.170].
В работе [84] автор считает, что наиболее благоприятными условиями для приготовления горючей смеси (полного испарения топлива и перемешивания его с воздухом) являются температуры воздуха на входе в двигатель 35 ... 40 С и топлива в карбюраторе 15 ... 20 С, кроме того температура стенок впускного трубопровода должна быть ПО ... 120 С, а температура горючей смеси на 25 ... 30 С меньше температуры стенок.
В этом случае при температуре в системе охлаждения 80 ... 90 С и частичных открытиях дросселя (75 ... 80 %) обеспечиваются наилучшие условия смесеобразования. При полном открытии дросселя температура горючей смеси может быть снижена на 20 ... 25 С. Это обеспечивает лучшее наполнение цилиндров и увеличивает мощность двигателя [84, с.20]. Однако, в работе не указывается, за счет чего температура может быть снижена, чтобы добиться описанного эффекта.
В работе [63] отмечается, что увеличение температуры воздуха перед карбюратором с 15 до 60 С вызывает уменьшение коэффициента избытка воздуха на 8 ... 10 %. Такое значительное обогащение горючей смеси увеличивает расход топлива на 4 ... 5 %. Однако подогрев воздуха перед карбюратором оказывает положительное влияние на качество смесеобразования, поэтому его влияние в целом на показатели работы двигателя неоднозначно. Повышение температуры воздуха уменьшает возможность выпадения топлива в пленку и улучшает испарение топлива в потоке горючей смеси. Наибольшее уменьшение топливной пленки наблюдается при температуре 20 ... 60 С [63, с. 171]. Так, при повышении температуры воздуха при входе в карбюратор от -20 до 60 С коэффициент избытка воздуха может увеличится от 0,97 до 1,08
Анализ методов оценки суровости низкотемпературных условий эксплуатации
Интенсивность воздействия комплекса климатических факторов на свойства материалов и надежность технических устройств удобно характеризовать как техническую жесткость (суровость) климата и погоды.
Впервые понятие жесткости (суровости) холодной погоды, применительно к человеку, было введено Г.А. Бодманом [82]. Эта жесткость определяется в баллах (единицах) по формуле:
Как видно, в данном случае, как и в некоторых других, предлагается комплексный показатель жесткости (суровости) учитывающий совместное влияние нескольких факторов. Очевидно, что такие показатели сугубо специальны, пригодны для использования лишь в случае оценки воздействия условий окружающей среды на те объекты и системы, для которых они были разработаны. Существуют случаи, когда для оценки степени отклонения условий эксплуатации от номинальных для данного объекта или системы необходим одиночный показатель, качественно оценивающий один наиболее существенно влияющий фактор.
Л.Г.Резником предложен индекс Н который служит оценкой суровости, оценкой отличия условий внешней среды от стандартных нормальных значений [87]. Очевидно, что если условия соответствуют стандартным, то индекс суровости Н = 0. Таким образом, значение этого показателя Н — 0 R соответствует стандартным, нормальным для данного автомобиля условиям эксплуатации. Верхняя граница индекса суровости Н соответствует максимально возможному отклонению совокупности факторов от своего стандартного значения. С помощью индекса можно оценить суровость зимнего периода в целях определения и планирования затрат топлива на поддержание комфортных тепловых условий в салоне. Оценка низкотемпературных условий эксплуатации с помощью индекса суровости базируется на разбиении всего интервала возможных значений температуры окружающего воздуха в соответствии с 12-и балльной шкалой.
О.А. Новоселов [81] усовершенствовал подход к оценке суровости низкотемпературных условий с помощью индекса h следующим образом. Он предложил учитывать не конкретное значение температуры окружающего воздуха, средневзвешенное значение среднесуточных отрицательных температур окружающего воздуха заданных условий эксплуатации: где tc — среднесуточные температуры окружающего воздуха в і-м пункте, С; Д( - число дней зимнего периода с температурой tc в і-м пункте, сут.;
Минимальное значение среднесуточной температуры в і-м пункте, С. И.А. Анисимов [5] внес свой вклад в развитие оценки суровости низкотемпературных условий эксплуатации, предложив определять коэффициент периода эксплуатации Кпэ, который впоследствии использовал при оценке отличия условий эксплуатации от стандартных для автотранспортных средств время эксплуатации которых в течение суток известно и ограничено. Pi где tj - средняя за зимний период температура /-го часа эксплуатации для определённого представительного пункта, С; tcc- среднесуточная температура воздуха зимнего периода для определённого представительного пункта, С; Тпэ— количество часов эксплуатации автомобиля, ед; /— порядковый номер часа эксплуатации.
Для оценки суровости низкотемпературных условий эксплуатации И.А. Анисимов использовал универсальную 12-ти балльную шкалу суровости профессора Л.Г. Резника. Единицей измерения которой является балл суровости R. Автор исходил из наиболее низкого значения среднесуточной температуры воздуха (-36С) поэтому каждый балл суровости R предложил приравнивать к 3С. Суровость h зимнего периода эксплуатации, обусловленная отрицательной температурой воздуха, с учётом периода эксплуатации автомобиля в течение суток, предложено вычислять по формуле: h = -ytcc.Km. -(1.9)
В качестве вывода следует отметить, что, например абсолютный минимум температур, зафиксированный на земном шаре, лежит далеко за пределами рассмотренных диапазонов и может значительно варьироваться в зависимости от различных метеорологических факторов. В отличии от температуры окружающего воздуха условия эксплуатации автомобилей строго регламентированы. Например, исходя из данных нормативно-технической документации для автомобилей в стандартной комплектации минимально возможная температура при которой допускается эксплуатация соответствует -40 С [1, 2, 3, 4, 99, 100, 101, 102, 105], для автомобилей в северном исполнении: -60 С [9, с. 169]. Есть некий смысл в том, чтобы при оценке суровости низкотемпературных условий эксплуатации исходить из этих значений
Построение математических моделей влияния низкотемпературных условий эксплуатации на объемное содержание СО и CnHm в отработавших газах
Анализ проведенных ранее исследований показал, что в бензиновых двигателях образование СО и CnHm зависит в основном от состава горючей смеси поступающей в цилиндры двигателя. Показателем, количественно характеризующим состав горючей смеси, является коэффициент избытка воздуха (а). Основываясь на результатах исследований проведенных ранее содержание СО и CnHm в отработавших газах увеличивается как при понижении, так и при повышении температуры воздуха на входе в двигатель по сравнению с оптимальным значением. Из этого следует, что зависимости объемного содержания загрязняющих веществ X от температуры воздуха на входе в двигатель te могут быть описаны квадратичными моделями приспособленности: где Хсо 0йда XC//own-оптимальное (минимальное) значение объемного содержания СО и CnHm соответственно, %; Sco, SCH параметры чувствительности, % / С2; t - температура окружающего воздуха, С; tco опт, /сяояот-температура воздуха при, которой достигается оптимальное значение объемного содержания СО и CnHm, С.
Величина объемного содержания загрязняющих веществ не дает объективной оценки того, какое количество их образуется при работе двигателя. Для того, чтобы это оценить необходимо знать массу образовавшихся загрязняющих веществ, отнесенную к пробегу, ко времени работы или к количеству израсходованного топлива. Поэтому была разработана методика расчета массы выброса загрязняющих веществ с отработавшими газами за час работы автомобильного двигателя на холостом ходу.
Для расчета массовых выбросов предложено использовать общую формулу предложенную Н.Я. Говорущенко [35, с. 44]: где Qx - массовый выброс вещества, г/км; jux - молярная масса вещества, г/моль; Хх - объемное содержание загрязняющего вещества в отработавших газах, %; pm - плотность топлива, г/м ; а- коэффициент избытка воздуха. Формула (2.3) предназначена для расчета пробеговых выбросов, поэтому должна быть соответствующим образом преобразована. Преобразование заключается в использовании показателя часового расхода топлива, который предлагается рассчитывать по следующей формуле [35, с. 48]: где qxx — расход топлива, кг/ч;
Коэффициенты А и В постоянны для двигателя одной модели и зависят от его геометрических параметров. Они равны: где Vh — рабочий объем двигателя, дм ; Ни - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг (для бензина принимается равной 44000 кДж/кг). После соответствующих преобразований при использовании равенств (2.4...2.6) формула (2.3) приводится к виду (2.7) и позволяет получить показатели часового суммарного массового выброса загрязняющих веществ на холостом ходу.
Токсичности оксида углерода и углеводородов отличаются. Использова ниє значений максимальных разовых предельно-допустимых концентраций (ПДК) для воздуха позволяет получить единую шкалу для измерения токсичности. Для оксидов углерода ПДК равна 5 мг/м3. Усреднено токсичность суммы углеводородов, с учетом соотношений количеств содержащихся в отработавших газах органических веществ, принимается равной токсичности бензола, то есть в три раза выше токсичности оксида углерода. Таким образом, если токсичность оксида углерода принять за 1, то относительная токсичность суммы углеводородов составит 3 [74, с. 7].
С учетом относительных токсичностей загрязняющих веществ суммарная характеристика токсичности отработавших газов автомобилей равна: где Мсо, Мен, — массовое содержание СО, CnHm и в отработавших газах автомобиля, г/ч.
После преобразования формулы (2.7) с учетом равенства (2.8) имеем,. Формула (2.9) позволяет определить массовый выброс загрязняющих веществ с учетом их токсичности для автомобилей разных марок и моделей без проведения дополнительных экспериментов по определению расхода топлива и коэффициента избытка воздуха. Однако при такой записи невозможно определить вид зависимости суммарной токсичности от температуры окружающего воздуха. Можно только предположить, что он будет аналогичен зависимости объемного содержания загрязняющих веществ. Для того чтобы аналитически определить вид зависимости необходимо провести соответствующие преобразования. Сначала подставим в формулу (2.9) выражения (2.1) и (2.2) и частично раскроем скобки:
Ц= -{А-п+В-г -(ц0-Хса +цХ)- {1 (2.10) После частичного раскрытия скобок для наглядного представления расчетов заменим некоторые слагаемые (постоянные величины для автомобилей с двигателями одной модели) их условными обозначениями:
Предложенная запись зависимости суммарной токсичности от температуры воздуха содержит характерные черты канонического вида квадратичной математической модели приспособленности, в котором слагаемое a -(b + 3-d) это точка оптимума (обозначим ее Msonm), а множитель а-(с + 3-е) — параметр чувствительности (обозначим его SMS).
В итоге зависимость суммарной токсичности от температуры окружающего воздуха будет иметь следующий вид:Ms = Msonm + SMs (t - tmin )2 . (2.18) Значения параметров математической модели (2.18) после обратной замены в соответствии с равенствами (2.11...2.15) будут записываться следующим образом: Полученные равенства (2.18...2.20) позволяют значительно упростить обработку экспериментальных данных, так как вид зависимостей уже определен, необходимо найти только значения параметров, что с применением ЭВМ не является сложным. Суммарная токсичность, соответствующая фактическому содержанию загрязняющих веществ при температуре окружающего воздуха t в соответствии с равенством (2.18) может быть представлена следующим выражением: где Msonm - суммарная токсичность, соответствующая минимальному (либо максимальному) содержанию загрязняющих веществ привед г/ч; AMt — суммарная токсичность, вызванная изменением в двигателе процессов смесеобразования и горения при температуре окружающего воздуха t, привед г/ч. Численное значение величины AMt обуславливается изменениями процесса смесеобразования и горения в двигателе автомобиля вследствие изменения температуры окружающего воздуха. Для оценки приспособленности автомобилей разных марок к низкотемпературным интервалам условий эксплуатации по токсичности отработавших газов необходимо: - установить рациональные интервалы суровости низкотемпературных условий эксплуатации; - разработать показатель приспособленности к низкотемпературным условиям по суммарной токсичности отработавших газов автомобилей находящихся в эксплуатации; - установить рациональные диапазоны приспособленности автомобилей.
Реализация разработанной оценки приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности отработавших газов
На основе изложенного в главе 2 подхода к оценке приспособленности и анализа данных, полученных при экспериментальных исследованиях по определению численных значений параметров математической модели (2.18) стали известны конкретные значения параметров чувствительности. По этим параметрам при использовании формулы (2.23) рассчитаны численные значения показателей приспособленности автомобилей разных марок и моделей к низкотемпературным условиям эксплуатации по суммарной токсичности отработавших газов Марка и модель автомобиля Параметр приспособленности а автомобилей выдвигается нулевая гипотеза о соответствии распределения результатов нормальному закону. Произведена обработка данных с помощью программы «Regress 2.5». В результате получены следующие статистические характеристики (табл. 3.27). Рис.3.3. Гистограмма, кривая распределения и диапазоны приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по суммарной токсичности отработавших газов В результате статистического анализа эмпирических значений параметров адаптивности исследуемых автомобилей гипотеза о соответствии распределения результатов нормальному закону принимается с вероятностью 0,95.
Результат разбиения значений параметра а на три диапазона следующий: диапазон низкой приспособленности [0,84; 0,89), диапазон средней приспособленности [0,89; 0,94] и диапазон высокой приспособленности (0,94; 0,98]. На основании статистической проверки установлена значимость различия диапазонов приспособленности.
После того как были определены границы рациональных диапазонов приспособленности и выявлены значения показателей попавших в тот или иной уровень возникла необходимость в проверке значимости различия между совокупностями, относящимися к разным диапазонам приспособленности. Была выдвинута нулевая гипотеза Но, что различия математических ожиданий коэффициента в трех интервалах приспособленности незначительны, то есть a\=aj, а2=аз. Против гипотезы Но была выдвинута альтернативная гипотеза На, что различия математических ожиданий существенны, иными словами, а\ а,2, а2 а3.
Значение t - критерия при заданном уровне значимости а. По таблицам квантилей распределения Стьюдента по заданному уровню значимости а и числу степеней свободы v=ni+ri2-2 определяются критические точки ta/2, v Если tHaen tail, vj то нулевая гипотеза отклоняется в пользу альтернативной, в противной случае считается, что нет оснований для отклонения нулевой гипотезы. Используя численные значения показателя приспособленности, вычисляются наблюдаемые значения t — критерия статистики. Для этого производятся вспомогательные вычисления, результаты которых сводятся в табл. 3.29
По таблицам квантилей распределения Стьюдента [33, с.270] по заданному уровню значимости а = 0,05 и числу степеней свободы, которые при сравнении средних арифметических значений коэффициентов составляют v=9 определяются критические значения квантилей. Критические значения квантилей при сравнении средних арифметических диапазонов приспособленности составляет t0.05;9 = 1,83. Так, как I tHa6n / t , v l,83 в случае сравнения средних арифметических диапазонов низкой и средней приспособленности, то нулевая гипотеза, утверждающая, что расхождения диапазонов приспособленности незначительны, отвергается в пользу альтернативной: расхождения низкого и среднего диапазонов приспособленности автомобилей к зимним условиям эксплуатации по температурному режиму двигателей значительны. Аналогичный вывод следует из рассмотрения сравнения среднего и высокого диапазонов приспособленности, поскольку tHa6jl ta/2, v=l,83. Таким образом, на основании статистической проверки установлена значимость различия трех диапазонов приспособленности. ГЛАВА 4. ПУТИ ПРАКТИЧЕСКОГО
Применение методики направлено на уменьшение выброса загрязняющих веществ с отработавшими газами в низкотемпературных условиях эксплуатации за счет разработанного механизма экономического стимулирования повышения экологичности автомобилей путем дифференцированного корректирования размеров платы за загрязнение окружающей среды. «Методика дифференцированного корректирования платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу» включает в себя: - оценку суровости зимнего периода заданного пункта эксплуатации; - оценку приспособленности автомобилей находящихся в эксплуатации к низкотемпературным условиям по токсичности отработавших газов; - дифференцированное корректирование платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; Для характеристики суровости зимнего периода заданного пункта эксплуатации используется метод разработанный ранее [81]. В соответствии с этим методом определяется средневзвешенное значение отрицательных среднесу точных температур окружающего воздуха t этих условий. где Д/. - число дней зимнего периода со среднесуточной отрицательной тем с пературой tc в заданном пункте эксплуатации, сут.; tcmin -минимальное значение среднесуточной температуры в заданном пункте эксплуатации, С. Значения tc, Д/ , t in определяются согласно ГОСТ 16350-80 [40]. эксплуатации в заданном пункте Qitf) .
Оценка приспособленности автомобилей находящихся в эксплуатации к низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности отработавших газов осуществляется на основе установления и использования рациональных интервалов суровости низкотемпературных условий эксплуатации, рациональных диапазонов приспособленности автомобилей к этим интервалам, а также численных значений показателя приспособленности автомобилей к низкотемпературным условиям эксплуатации по суммарной токсичности отработавших газов.
Численные значения показателя приспособленности определяются на основе конструктивных аналогий выявленных в ходе проведения исследований. Так, характерными признаками, определяющими принадлежность к диапазону высокой приспособленности, является оснащенность двигателя системой ком плексного управления зажиганием и впрыском топлива. Тот же двигатель, но оснащенный карбюратором определяет принадлежность автомобиля к диапазону средней приспособленности. Так же на принадлежность к диапазону средней приспособленности указывает наличие следующих деталей и механизмов: 1) система подогрева воздуха на входе в двигатель в сочетании с системой подогрева горючей смеси во впускном коллекторе; 2) устройство автоматического регулирования температуры воздуха на входе в двигатель. Отсутствие всех перечисленных механизмов и систем свидетельствует о том, что автомобиль следует отнести к диапазону низкой приспособленности к низкотемпературным условиям эксплуатации по токсичности отработавших газов. Для удобства практического использования вышеприведенные выводы контроля соответствия транспортных средств требованиям стандартов, регламентирующих содержание загрязняющих веществ в отработавших газах в условиях эксплуатации.
Контроль соответствия транспортных средств требованиям стандартов, регламентирующих содержание загрязняющих веществ в отработавших газах, осуществляется органами Минприроды России, Российской транспортной инспекции, Госавтоинспекции, а также специальными организациями, имеющими разрешение на проведение данного вида работ
