Оптимізація періодичності контрольно-регулювальних робіт систем живлення і запалювання бензинових автомобільних двигунів за показником токсичності відпрацьованих газів

Предмет дослідження -зміна токсичності ВГ бензинових двигунів від: пробігів АТЗ; періодичності виконання профілактичних обслуговувань СЖЗ; ступеня зношеності деталей циліндро-поршневої групи; змін групового та агрегатного складу бензинів.

Методи дослідження - методи математичної статистики, кореляційного аналізу, математичного програмування та моделювання на ПК фізичних процесів; методи дорожніх та стендових досліджень токсичності ВГ за Європейським їздовим циклом; методи проектування та конструювання електронних засобів вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримано: аналітичні залежності комплексного впливу визначальних чинників на токсичність ВГ бензинових двигунів (за вмістом СО); на підставі залежностей розроблено методику безперервного контролю токсичності ВГ та математичні моделі періодичностей виконання КРР щодо СЖЗ автомобільних бензинових ДВЗ.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано до практичного використання: періодичність виконання профілактичних КРР щодо СЖЗ бензинових ДВЗ за показниками токсичності ВГ; методику та програми моделювання роботи ДВЗ для руху автомобіля за Європейським їздовим циклом; конструкцію (на основі лямбда-давача) системи безперервного контролю токсичності ВГ; програми і алгоритми обґрунтування оптимальної (за вмістом оксиду вуглецю у ВГ) періодичності КРР.

Особистий внесок здобувача. Здобувачу належать: [1] - виконання та опрацювання результатів перевірки токсичності ВГ автомобільних двигунів; [2] - методика визначення річних викидів токсичних речовин за вмістом ВГ на холостому ході; [3] - безпосереднє виконання витратоміра та аналіз роботи його елементів; [4] - виконання та опрацювання результатів перевірки впливу пробігу на токсичність; [5] - проведення дорожніх досліджень, розробка моделі визначення оптимальної періодичності та перевірка її адекватності; [6] - розробка складових елементів, формування та тарування термоанемометричного витратоміра; [7] - розробка структури діагностичного комплексу; [8] - ідея та розроблення приладу на основі лямбда-давача; [9] - аналіз основних методів визначення характеристик бензинів та проведення випробувань; [11] - аналіз методів визначення герметичності камери згоряння та проведення досліджень на підприємстві.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались і були схвалені на: науково-методичних семінарах кафедри ЕРАТ НУ “Львівська політехніка”; 5, 6 та 7-му Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (2001, 2003 та 2005 рр.); Міжнародних науково-технічних конференціях “Автоматизация: проблемы, идеи, решения” (м. Севастополь, 2002 р.) та “Problemy recyklingu” (м. Рогов, Республіка Польща, 2002 та 2003 рр.); наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (2004 та 2005 рр.).

Публікації. Основні положення дисертації, методики, результати досліджень, висновки та рекомендації опубліковані у 13 друкованих працях, в т.ч. у 5 фахових виданнях України; отримано Патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 127 найменувань. Загальний обсяг дисертації - 242 сторінки, з яких 144 сторінки основного тексту; містить 18 додатків на 41 сторінках, 11 таблиць, 33 рисунки.

бензиновий запалювання автомобільний двигун

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі роботи, викладена методика досліджень, наукова новизна, практична цінність та практичне використання результатів роботи.

У першому розділі виконано огляд літературних джерел за темою роботи, проаналізовано негативний вплив технічних чинників СЖЗ на токсичність ВГ автомобільних ДВЗ, розглянено найвідоміші методи визначення періодичності обслуговування двигунів. Проаналізовано дослідження щодо зменшення токсичності ВГ відомих вчених, таких як Гутаревич Ю.Ф., Говорущенко М.Я., Матейчик В.П., Жегалін О.І., Клімпуш О.Д., Редзюк А.М., Малов Р.В., Філіппов А.З., Денісов В.І., Варшавский І.Л. Звонов В.А. та інші. Встановлено, що до цього часу не досліджувалася можливість контролю та керування рівнем токсичності ВГ не лише змінами у конструкціях двигунів та його електронних систем керування, але й виконанням відповідних контрольно-регулювальних та замінних операцій (карбюратор, електронні блоки, деталі ЦПГ) на основі науково обґрунтованих періодичностей пробігів АТЗ й результатів діагностування ДВЗ та не розглядався вплив нестабільності хімічного та агрегатного складу бензинів, обумовленої тривалим та неякісним зберіганням їх і системою заправляння ними АТЗ, на токсичність ВГ. Було висунено гіпотезу про те, що, оскільки токсичність ВГ бензинових ДВЗ формується за одночасної дії багатьох чинників, то повинна існувати багатофакторна математична модель, якою можна описати процеси зміни концентрації токсичних речовин, зокрема СО, не тільки від регулювальних параметрів систем ДВЗ, а і від пробігу автомобіля.

В другому розділі встановлено функціональні зв'язки між технічним станом двигунів, регулюванням їх систем за токсичністю ВГ, проведено вибір визначальних чинників у дослідженні періодичності КРР. Проаналізовано експрес-методи визначення технічного стану ЦПГ, встановлено, що найбільш придатним (через простоту реалізації) у дослідженні впливу ступеня зносу деталей ЦПГ (пробігу АТЗ) на токсичність ВГ є компресійний. Щодо інформативності його, то необхідно додатково збирати інформацію про збільшення витрати палива та оливи.

Після виконаного аналізу багатофакторних впливів на процеси сумішоутворення та згоряння палива й відтак, на токсичність ВГ двигунів, вибрано за найбільш інформативний компонент ВГ - вміст оксиду вуглецю. Обрано п'ять основних чинників, вплив яких на вміст у ВГ бензинових двигунів СО є найбільшим - кут випередження запалювання (КВЗ), положення гвинта регулювання якості суміші; компресія у циліндрах (знос деталей ЦПГ - пробіг АТЗ); нерівномірність за агрегатним; нерівномірність за фракційним складом бензину.

Розроблено методику визначення оптимальної періодичності діагностування АТЗ за мінімальних сумарних витрат, що дозволяє, зменшити втрати від ушкодження природного довкілля токсинами ВГ через передчасне розрегулювання систем ДВЗ у періоді прогнозування його роботи на пробігу АТЗ до ТО-1 з допустимими показниками токсичності ВГ R_пд (числові значення його відповідають чинним офіційним штрафам за перевищення токсичності ВГ із обов'язковим доведенням її до нормативної) та витрати власника АТЗ через передчасне виконання КРР щодо регулювання токсичності ВГ - R_д (брались нормативні вартості проведення вимірювань і регулювань токсичності). Критерієм оптимальності періодичності КРР щодо СЖЗ двигунів, регулюваннями яких забезпечують допустиму токсичність ВГ, є мінімум функції сумарного ризику:

,(1)

З урахуванням підпорядкованості нормальному закону розподілу експериментальних даних токсичності ВГ до регулювань СЖЗ уможливлюється опис ймовірності настання перевищення допустимих значень СО у ВГ з використанням функцій Лапласа:

(2)

де , - витрати, пов'язані відповідно з передчасним КРР СЖЗ одного АТЗ, та із штрафами за перевищення токсичності ВГ з обов'язковим виконанням КРР для доведення її до нормативної, грн.; - кількість КРР щодо СЖЗ, які можна пропустити (не виконувати) на пробігу АТЗ до моменту перевищення гранично допустимої токсичності ВГ; , - аргументи функції Лапласа.

Останні (, ) визначались за формулами:

(3)

де - середня кількість КРР на пробігу АТЗ до моменту перевищення допустимих значень токсичності ВГ; - гранично допустиме значення токсичності ВГ за вмістом СО; - значення токсичності ВГ на момент діагностування, об.%; - мінімальне, регламентоване нормативно-технічною документацією, значення токсичності ВГ, об.%, - коефіцієнт варіації нерівномірності розподілу токсичності ВГ.

Гранично допустиме значення параметра визначається з урахуванням оптимальної періодичності виконання КРР. Оптимальну періодичність КРР щодо забезпечення нормативної токсичності ВГ за вмістом СО можна визначити через добуток середнього пробігу АТЗ до моменту перевищення гранично допустимої токсичності та коефіцієнта оптимальності виконання КРР :

(4)

Коефіцієнт оптимальності враховує грошові витрати, пов'язані з КРР і із збитками через забруднення повітряного простору . На зміну його значень матиме вплив коефіцієнт варіації нерівномірності розподілу токсичності ВГ . Чим останній більший, тим для різних співвідношень буде більший коефіцієнт оптимальності t і, отже, матиме значення, близькі до середнього пробігу АТЗ . Відповідними обчисленнями знайдено залежності коефіцієнта t від співвідношень для різних значень коефіцієнта варіації . Визначено кількість пропусків КРР k із періодичністю для різних значень коефіцієнта варіації .

З використанням наведеної методики визначено міжконтрольні пробіги АТЗ у межах їх середнього значення за вмістом СО у ВГ, коли сума втрат від забруднення довкілля і затрат на виконання КРР двигунів АТЗ будуть мінімальними. При цьому встановлені кількість пропусків КРР k з періодичністю на пробігу , коли вміст СО у ВГ лежить у межах , і залишкові пробіги АТЗ до наступних КРР.

У третьому розділі відповідно до сформульованих задач, згідно з етапами виконання досліджень та з метою перевірки прийнятих гіпотез, розроблено програми та методики експериментальних лабораторних та дорожніх досліджень впливу на токсичність ВГ регулювань СЖЗ.

Описано розроблені мето-дики досліджень, їх елементну та обчислювальну базу. Для безперервного визначення вмісту СО у ВГ використано наведено опис та тарування його. Розроблено і відтаровано термоанемометричний витрато-міра палива, описано принцип його роботи. Сформовано екс-периментальну установку для визначення впливу регулюваль-них параметрів СЖЗ та пробігу АТЗ на токсичність ВГ бензи-нового ДВЗ при випробуванні автомобіля за міським їздовим циклом Правил № 15 ЄЕК ОН.

У четвертому розділі наве-дено результати експериментальних досліджень. Для визначення групового та фракційного складів бензинів і дослідження впливу їх якості на токсичність ВГ, брались проби бензину (А-76, А-92 та А-95) на різних АЗС м. Львова, що постачалися різними нафтопереробними заводами (НПЗ). Дослідження бензинів проводилося в лабораторії хімії нафти та газу кафедри “Хімічна технологія нафти і газу”, визначався фракційний склад та вміст ароматичних вуглеводнів. Водночас, у лабораторії кафедри ЕРАТ виконувались дослідження токсичності ВГ двигуна при споживанні цих же марок бензинів згідно з ДСТУ 3649-97. Отримані результати токсичності ВГ вказують на вплив октанового числа бензинів на викиди вуглеводнів, тобто на повноту згоряння палива. Помітно, що вміст СО на холостому ході практично для всіх проб бензинів був однаковим. Істотного впливу вмісту ароматичних вуглеводнів у бензинах на токсичність ВГ справного двигуна не спостерігалось.

Перевірки АТЗ з бензиновими двигунами на території міста Львова та області протягом півроку (лютий-липень 2001 р.) показали, що 30 % автомобілів з 4311 перевірених експлуатуються з порушенням норм токсичності ВГ.

Розрахунки викидів токсичних речовин засвідчують, що середньостатистичний автомобіль області, з бензиновим двигуном викидає у повітря щорічно 319 кг СО. Визначення впливу пробігу автомобіля на токсичність ВГ бензинових двигунів проводилось у таксомоторному підприємстві “Авто-Макс”. Обстежувались - 33 автомобілі ГАЗ-3110. Результати залежності токсичності ВГ (на прикладі вмісту СО) та компресії у циліндрах ДВЗ від пробігу автомобілів-таксі, наведені.

Вміст СО у ВГ до регулювання найкраще узгоджувався із нормальним законом, характеризувався значним розкидом і коливався від 1,16 до 6,54 об.%. Такий діапазон пояснюється розрегулюваннями СЖЗ (в т.ч. некваліфікованим втручанням водія), низькою якістю палива. Після регулювання вміст СО коливався в межах 0,68-2,25 об.% і досягав максимальних значень при рості пробігу.

Як і очікувалося, із ростом пробігу АТЗ компресія у циліндрах двигунів зменшується. Слід відмітити, що спостерігається і зменшення компресії через низькі якість матеріалу та технології виготовлення поршневих кілець.

Отримано просторову модель зміни токсичності ВГ (за вмістом СО - Q_co) від пробігу АТЗ та компресії у циліндрах, яка описується поліномом 2-го степеня:

Qco = 2,8649+0,0537·L-8,5388·р-0,0001·L2+0,0056·L·p+5,4873·p2. (5)

Отже, мінімальний вміст СО у ВГ спостерігається до пробігу 20 тис.км та при значеннях компресії 0,75-0,85 МПа. До цього пробігу токсичність ВГ практично не змінюється і лежить у межах 0,7-0,9 об.% СО. Із збільшенням пробігу АТЗ спостерігається зростання токсичності ВГ, яке пояснюється зменшенням максимального тиску наприкінці такту стиску з подальшим порушенням процесу згоряння, а також зменшенням розрідження, що створюється у впускному трубопроводі на такті впуску, за рахунок підсмоктування картерних газів в циліндри.

Для кожного автомобіля знайдено лінійні залежності зміни токсичності ВГ після першого регулювання до наступного вимірювання. Періодичність вимірювань становила від 2 до 13 тис. км. Після цього виконувалося наступне регулювання СЖЗ та усувалися виявлені несправності. Для визначення пробігу АТЗ, на якому токсичність змінюється від номінального значення до обмеженого стандартом, в рівняння зміни вмісту СО у ВГ для кожного автомобіля підставлялося мінімальне значення, яке вказане в інструкції з експлуатації (вміст СО у ВГ не повинен перевищувати 0,5-1,0 об.%). Оскільки значення вмісту СО у ВГ, обмежене ДСТУ 3649-97, - 1,5 об. %, тому його взято за максимально допустиме. В результаті було отримано значення пробігу для кожного з досліджуваних автомобілів, на якому токсичність відпрацьованих газів змінюється від номінального значення до обмеженого стандартом на холостому ході. Ці пробіги змінюються від максимального 4,43 тис. км до мінімального 0,41 тис. км, що пояснюється різними технічним станом автомобілів, пробігом від початку експлуатації, які вимагають перерегулювань СЖЗ. Більші значення періодичностей характерні для автомобілів з малими пробігами від початку експлуатації, коли вплив систем ДВЗ, які не підлягають регулюванню, на збільшення токсичності ВГ є незначним. Характерним для цих автомобілів є великий діапазон можливих регулювань вмісту токсичності ВГ без втрати потужнісно-економічних характеристик. Середнє значення визначених пробігів АТЗ становило 1,86 тис. км (третя частина від значень пробігів при регламентній перевірці токсичності ВГ під час ТО-1).

Лабораторні дослідження впливу пробігу, змін компресії у циліндрах ДВЗ на токсичність ВГ карбюраторних ДВЗ проводилися в лабораторії кафедри ЕРАТ на стенді для випробування ДВЗ. Для моделювання пробігу автомобіля ГАЗ-3110 проведено заміну компресійних кілець у циліндрах, що дало змогу простим способом змоделювати зношеність деталей ЦПГ. Випробуваний двигун мав сумарне напрацювання без навантаження, яке не перевищувало 300 год., що становило початковий пробіг автомобіля - 10 тис. км. Заміна кілець на зношені виконувалась два рази. Фіксувалося значення компресії та вміст токсичних речовин на холостому ходу (табл. 1).

Таблиця 1. Результати лабораторних досліджень ступеня впливу пробігу АТЗ та змін компресії у циліндрах ДВЗ на токсичність ВГ

За отриманими даними знайдено залежність зміни токсичності та компресії від модельованого на лабораторній установці пробігу АТЗ.

Результати лабораторних досліджень (з дискретною імітацією пробігу автомобіля) підтвердили вплив пробігу автомобіля на збільшення токсичності ВГ. Вміст СО у відпрацьованих газах збільшився із 0,85 до 2,23 об.% на модельованому пробігу 35 тис. км.

Отримано поліноміальні залежності зміни токсичності ВГ та компресії k у циліндрах двигунів залежно від пробігу автомобіля L (у км):

QCO = 0,806+0,0015·L+0,0007·L2 (6)

K= 1,0527-0,0094·L+6,9888·10-5·L2 (7)

Дослідження зміни токсичності ДВЗ на стенді здійснювали з урахуванням зміни 2-х чинників: положення гвинта якості суміші n_гв та кута випередження запалювання (КВЗ) и відносно оптимальних значень. В результаті аналізу отриманих даних під час випробування ДВЗ за міським їздовим циклом на стенді отримано зміну параметрів, які характеризують роботу двигуна, - масового вмісту СО у ВГ (y₁ - М_CO), витрати палива (y₂ - Q_пал), залежно від змін положення гвинта якості суміші (n_гв) та кута випередження запалювання (Ди). Додатково встановлено вміст СО на холостому ході (Q_CO) при кожній перевірці та масову токсичність М_сум, зведену до вмісту СО у ВГ із урахуванням коефіцієнтів агресивності (табл. 2).

Таблиця 2. Результати проведення двофакторного лабораторного експерименту

Отримано закономірності змін параметрів режиму роботи ДВЗ та показників його сумішоутворення і токсичності ВГ при випробуванні АТЗ за міським їздовим циклом для усіх значень положення гвинта якості суміші та КВЗ.

Викиди СО отримані способом вимірювання, а вміст оксидів азоту і вуглеводнів розраховано за відомими формулами згідно з даними зміни складу суміші. Знаючи масові викиди окремих шкідливих речовин та враховуючи коефіцієнт відносної агресивності, можна визначити зведені до СО сумарні масові викиди, тобто сумарну зведену токсичність, наприклад, базового регулювання (оптимальні значення положення гвинта якості суміші та КВЗ). Зміна сумарної токсичності ВГ у часі набуде вигляду. Найбільші масові викиди токсичних речовин спостерігаються при режимах розгону.

За результатами випробувань, отримано поліноміальні рівняння і побудовано поверхні відгуку змін об'ємного вмісту СО, залежно від складу суміші та обертів двигуна для різних регулювань. Також отримано залежність масового викиду СО від положення гвинта якості суміші n_гв та зміни кута випередження запалювання

МCO = 105,3006-0,104·nгв-1,4036·+0,0027·nгв2+0,0008··nгв+0,0148·г/випр. (8)

Залежності масового викиду СО (МСО) і сумарного масового (МСУМ), зведеного до вмісту СО, від вмісту останнього на холостому ході (QСО):

МСО = 84,2261+13,0597·QСО +0,8773·QСО2-0,2445·QСО3, г/випр. (9)

МСУМ = 301,3812+0,8323·QСО +5,3046·QСО2-0,67·QСО3, г/випр.(10)

З ростом об'ємного вмісту СО у ВГ на холостому ходу до 5,5 об. % спостерігається плавний ріст як масового викиду СО із ВГ, так і сумарного масового, зведеного до вмісту СО; подальше перевищення токсичності призводить до падіння масових викидів токсичних речовин із одночасним погіршенням паливної економічності. Таке зменшення масового викиду СО за цикл пояснюється появою пропусків запалювання через перезбагачення паливної суміші, а сумарного викиду токсичних речовин, зведених до вмісту СО, за цикл - зменшенням викиду оксидів азоту, коефіцієнт агресивності яких найбільший.

У п'ятому розділі викладено вимоги та способи забезпечення заданої точності та інформативності, засоби і методи виконання КРР СЖЗ на різних пробігах АТЗ. Наведено розроблену структуру системи діагностичного засобу для контролю рівня токсичності ВГ і її склад: оболонка мікропроцесорної експертної системи (інтерфейс користувача); підсистема первинного опрацювання оперативної інформації; підсистема розпізнавання діагностичних ознак; підсистема моделювання процесів розвитку несправностей; підсистема формування матриць та логічних формул, які описують поточний стан приладів СЖЗ; підсистема оперативної візуалізації поточного стану СЖЗ на дисплеї ПК; підсистема навчання користувача.

Для діагностування систем ДВЗ за показником токсичності ВГ на ходу автомобіля розроблено діагностичний засіб з використанням -давача та ноутбука, загальний вигляд якого наведено.

Лямбда-давач монтується у випускну трубу на віддалі від зрізу її 300 мм, для забезпечення підігріву використовується штатна або резервна АКБ.

Сигнал із виходу -давача разом із сигналом частоти обертання колінчастого валу ДВЗ подається в ноутбук через аудіо-порт, що дає змогу уник-нути використання АЦП. Роз-роблено алгоритми вимірювань токсичності бензинових карбю-раторних та інжекторних ДВЗ.

За результатами виконаних досліджень та з використанням розробленого діагностичного засобу на основі давача, отримано характерні відхилення токсичності ВГ від нормального перебігу процесу за вмістом СО із зміною частоти обертання колінчастого валу на холостому ходу для карбюраторних бензинових ДВЗ. Ці відхилення згруповано: різке зниження вмісту СО у ВГ, при відкритті дросельної заслінки, що спостерігається від мінімальної до підвищеної частот (крива 2); плавне підвищення вмісту СО у ВГ, у міру зростання частоти обертання колінчастого валу (крива 3); підвищений вміст СО у ВГ, при відкритті дросельної заслінки на мінімальній частоті обертання (750 хв^-1), який спадає із ростом частоти обертання (крива 4); підвищення вмісту СО у ВГ при відкритті дросельної заслінки, яке спостерігається від мінімальної до підвищеної частот обертання колінчастого вала (крива 5).

З метою забезпечення роботи діагностувальної установкирозроблено програму (у середовищі Mathlab 6.0) для порівняння значень зміни токсичності ВГ двигуна автомобіля із ростом частоти обертання колінчастого валу. Програма дає змогу порівнювати вхідні дані (вводяться із файлу текстового типу) із кривими методом інтерполяції. При цьому визначається похибка відхилення від кожної із кривих, за значеннями якої робиться висновок про приналежність вхідних даних до певного типу кривої і виводиться на екран.

Розроблений діагностичний засіб було апробовано на автомобілі ВАЗ-21053, із бензиновим карбюраторним двигуном з робочим об'ємом 1500 см³.

У шостому розділі вибрано базу та метод порівняльних досліджень періодичності діагностування АТЗ за токсичністю їх ВГ згідно з отриманими результатами, розроблено схему їх виконання. Опрацьовано результати порівняльних досліджень, проведено їх аналіз та оптимізацію періодичності обслуговування ДВЗ. Розроблено практичні рекомендації щодо періодичностей проведення КРР.

Проаналізовано існуючі методики визначення екологічних збитків. Найефективнішою є методика визначення екологічних збитків Е від забруднення довкілля пересувними джерелами, де наведені і нормативні значення коефіцієнтів, які входять в цю залежність:

(11)

де г - величина, що визначає завдану шкоду однією умовною тонною токсичних речовин ВГ (визначається з урахуванням індексації), грн./умовн.т.; у - безрозмірний коефіцієнт відносної небезпеки; ѓ - безрозмірний коефіцієнт, що враховує характер розсіювання газоподібних токсичних речовин ВГ та частинок в атмосфері; G_i - маса i-ї токсичної речовини, яка викидається АТЗ за певний період; R_i - коефіцієнт відносної агресивності i-ї токсичної речовини.

Для розрахунку масових викидів токсичних речовин разом із ВГ двигунів у м. Львові, найбільш навантажені транспортними потоками вулиці розділено на ділянки їздових циклів. Тобто припускалось, що рух АТЗ відбувається згідно з їздовим циклом, що підтверджується відповідними дослідженнями. При цьому викиди токсичних речовин на вулицях міста залежать як від типу і кількості АТЗ, об'єму їх ДВЗ, із відповідними регулюваннями СЖЗ та зносом деталей ЦПГ, інтенсивності руху. За базу взято центральну частину міста Львова із його основними автомагістралями.

Оскільки, їздовий цикл складається із 4052 м умовного шляху, або 780 с руху АТЗ, то розділивши довжини вулиць міста із найінтенсивнішим рухом на довжину пройденого шляху АТЗ при випробуванні за міським їздовим циклом, отримали кількість умовно пройдених їздових циклів для одного АТЗ. Знаючи масові викиди токсичних речовин за цикл, знайдено викиди одним АТЗ на один кілометр пробігу, під час експлуатації їх з різними значеннями регулювань СЖЗ двигунів, пробігів з початку експлуатації. Перемноживши значення викидів ВГ на інтенсивність руху на ділянці вулиці, отримано її екологічну навантаженість.

Пробіг АТЗ після останнього ТО або КРР визначався залежно від системи проведення регулювальних робіт щодо СЖЗ двигуна, тобто методики проведення КРР. Таким чином, пробіги в межах 0-5000 км - це чинна система ТО-1, згідно з Положенням-98 для легкових автомобілів, без урахування коригувальних коефіцієнтів; 0-1250 км - система проведення КРР із застосуванням критерію мінімального ризику; 0-2500 км - система проведення КРР за дорожніми дослідженнями.

У діапазоні інтенсивностей транспортних потоків І=600-700 авт/год, економічні ефекти від впровадження КРР як через 1250, так і 2500 км є майже однаковими. Зрозуміло, що перевагу слід надати пробігу 2500 км, який пов'язаний з меншими незручностями, зокрема, у 2 рази менша кількість проведення регулювань. Для інтенсивностей І>700 авт/год впровадження системи КРР через 1250 км стає більш доцільною, за рахунок зменшення збитків через наростання токсичності ВГ, порівняно із системою кРР через 2500 км, при сталих затратах на впровадження пропонованих системи КРР.

Для центральної частини м. Львова, для якої середня інтенсивність АТЗ протягом світлової пори доби (10 год.) становить І = 600 авт/год із загальною протяжністю головних вулиць L_заг=22,47 км екологічний ефект від запровадження системи КРР щодо СЖЗ з періодичністю 1250 км становитиме Q_м1250= 3761,5 т/рік; з періодичністю 2500 км - Q_м2500= 3877,982 т/рік. Ці екологічні ефекти оцінюються відповідними економічними: 54,4 тис. грн.; 57,1 тис. грн.

ВИСНОВКИ

Сучасний етап розвитку галузі транспорту держави характерний формуванням підвищених вимог до екологічної безпеки, зокрема автотранспортних засобів. Незважаючи на існуючі вимоги щодо токсичності і димності ВГ автомобільних двигунів і щодалі наближення їх до європейських, створення відповідних служб контролю, концентрації шкідливих речовин у повітрі міст не знижуються, а навпаки - підвищуються. Існуючі конструктивні та технологічні заходи зниження токсичності ВГ двигунів (в тому числі карбюраторних ДВЗ, автомобілів з якими близько 55 %), у повній мірі не забезпечують ефективного дотримання нормативів. У дисертації розроблено і запропоновано новий підхід у забезпеченні нормативних рівнів токсичності ВГ, який базується на науково-обгрунтованих періодичностях виконання контрольно-регулювальних операцій щодо СЖЗ бензинових двигунів.

На підставі аналізу наукових джерел, присвячених розв'язанню проблеми зниження токсичності ВГ ДВЗ, а також аналізу забруднень автомобілями повітряного басейну (м. Львів), контролю його різними засобами, обгрунтовано вибір основного елемента засобу діагностики токсичності ВГ за вмістом СО - лямбда-давач. Оцінку токсичності ВГ за вмістом оксиду вуглецю обгрунтовано за результатами досліджень інших вчених (вміст СО порівняно з СН і NO становить на різних режимах роботи ДВЗ від 0,75 до 7 об.%).

Лабораторними дослідженнями за міським їздовим циклом із зміною регулювальних параметрів СЖЗ встановлено основні залежності вмісту СО від КВЗ і положення гвинта якості суміші та ступеня зносу поверхонь деталей ЦПГ: при заводських регулюваннях вміст СО на холостому ході 0,5 об.%, масовий викид СО за цикл 91,5 г/випр.; викид токсичних речовин, зведений до СО 301,71 г/випр.; максимальні значення викиду, відповідно 5,84 об.%, 138,26 г/випр., 362,82 г/випр. при зменшенні КВЗ і збагаченому перерегулюванні гвинта холостого ходу. Встановлено вплив ступеня зносу деталей ЦПГ: на модельованому АТЗ пробігу 35 тис. км вміст СО у ВГ збільшився із 0,85 до 2,23 об.% при зменшенні середнього значення компресії у циліндрах із 0,96 до 0,78 Мпа.

Експлуатаційними випробуваннями автомобілів з карбюраторними двигунами встановлено, аналогічний до лабораторних, вплив параметрів СЖЗ та зношеності кілець і циліндрів на токсичність ВГ ДВЗ: пробіги для кожного з досліджуваних автомобілів, на яких токсичність ВГ коливалась від номінального значення (Q_CО=0,5 об. %) до обмеженого стандартом на холостому ходу (Q_CО=1,5 об. %), змінюються від максимального 4,43 тис. км до мінімального 0,41 тис. км. Це засвідчило збіжність результатів лабораторних та експлуатаційних випробувань і дало змогу встановити періодичність КРР щодо СЖЗ за пробігом АТЗ - 2,5 тис. км. Ці роботи повинні виконуватися додатково один раз в циклі пробігу АТЗ до ТО-1 і додатково 4 рази у циклі пробігу до ТО-2.

Досліджено і виявлено для двигунів ЗМЗ легкових автомобілів математичні залежності масового М_СО і сумарного масового М_СУМ викидів СО у ВГ автомобільних бензинових двигунів за міським їздовим циклом від об'ємного вмісту Q_CO його на холостому ходу: із збільшенням Q_CO до 5%, М_СО і М_СУМ прямопропорційно зростають відповідно від 91,5 до 149,8 г/випр. і від 301,71 до 362,82 г/випр. Знайдено поліноми, якими описують зміни токсичності (за вмістом СО) ВГ від режиму роботи ДВЗ (частоти обертання колінчастого вала).

На підставі результатів лабораторних та дорожніх досліджень, розроблено математичну модель оптимізації періодичності за критерієм мінімуму сумарного ризику від підвищення токсичності ВГ і затрат на виконання додаткових КРР у циклах ТО АТЗ з урахуванням імовірнісного характеру втрати нормативних регулювальних параметрів СЖЗ.

З використанням діагностичного засобу на основі ?-давача, розробленого термоанемометричного витратоміра палива та витратоміра повітря, відповідного аналого-цифрового перетворювача і комп'ютера Celeron-366 розроблено для лабораторних випробувань систему керування, з поточним контролем відповідних параметрів СЖЗ, які впливають на токсичність ВГ бензинових автомобільних ДВЗ. На розроблений термоанемометричний витратомір бензину отримано патент України на винахід. Результати лабораторних випробувань засобу дали змогу запроектувати комп'ютеризований засіб для періодичного (поточного) контролю токсичності ВГ автомобілів на лінії.

Застосування і дотримання встановлених періодичностей КРР щодо СЖЗ разом з поточним контролем відповідними державними органами рівня токсичності ВГ практично уможливлює, разом з іншими відомими методами і засобами, розв'язання проблеми зниження забруднення повітряного басейну АТЗ. Це принесе екологічний ефект в межах міст з населенням 700-900 тис.жителів скорочення шкідливих викидів з ВГ автомобільних двигунів на 263 тонни і економічний ефект 57,138 тис. грн на рік.

Результати дисертаційної роботи прийняті до впровадження у Державному управлінні екології та природних ресурсів у Львівській області, органами Державтоінспекції м. Львова; запропонована періодичність виконання додаткових контрольно-регулювальних робіт впроваджена у систему технічних обслуговувань автомобілів ПП “Авто-Макс”. Результати досліджень впроваджені також в лабораторний практикум з дисципліни “Експлуатація і обслуговування машин” на кафедрі ЕРАТ Національного університету “Львівська політехніка”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я., Преснер Б.М. Аналіз рівня токсичності відпрацьованих газів бензинових двигунів // Зб. наук. пр. асоціації “Автобус” “Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів” - Львів, 2001. - С. 141-145.

2. Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я., Преснер Б.М., Гулай В.І. Вибірковий аналіз викидів оксиду вуглецю з відпрацьованими газами автомобілів//Автошляховик України. - 2002. - №2. - С. 16-19.

3. Дмитрів В.Т., Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я. Термоанемометричний лічильник витрати палива для автомобільних двигунів // Зб. наук. пр. Харківського національного автомобільно-дорожного технічного університету. - Харків: ХНАДТУ. - 2003. - С. 63-68.

4. Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я. Вплив пробігу автомобіля на токсичність відпрацьо-ваних газів бензинових двигунів // Зб. наук. пр. асоціації “Автобус” “Проектування, вироб-ництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів” - Львів, 2003. - С. 164-169.

5. Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я. Визначення періодичності обслуговування систем живлення-запалення бензинових ДВЗ за показником токсичності відпрацьованих газів//Збірник наукових праць НТУ. - К.: НТУ, 2004. - № 9. - С. 74-80.

6. Пат. 65285А Україна МПК 7 G01F1/68 / Термоанемометричний витратомір / Форнальчик Є.Ю., Дмитрів В.Т., Качмар Р.Я. (Україна). - №2003076121. Заявл. 01.07.2003; Опубл. 15.03.2004, Бюл. №3. - 6 с.

7. Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я. Інформаційно-технологічна структура комп'ютеризованих засобів для діагностування системи живлення-запалення ДВЗ // П'ятий міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей. - Львів, КІНПАТРІ ЛТД. - 2001. - С. 146.

8. Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я. Про застосування л-зонду для визначення токсичності відпрацьованих газів бензинових двигунів // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - Севастополь, 2002. - С. 161-163.

9. Fornalchyk J., Kachmar R. Impact of formation and faction structures of gasolines on toxicity of exit gass of automobiles of general purpose // Problemy recyklingu: II Miкdzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna. - Rogьw (Poland). - 2002. - P. 45-50.

10. Качмар Р.Я. Лабораторні дослідження токсичності відпрацьованих газів за міським їздовим циклом // Шостий міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей. - Львів, КІНПАТРІ ЛТД. - 2003. - С. 176.

11. Форнальчик Є.Ю., Качмар Р.Я., Оліскевич М.С. Визначення впливу пробігу та періодичності обслуговування систем живлення-запалення бензинових ДВЗ на токсичність відпрацьованих газів // Problemy recyklingu: II Miкdzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna. - Rogьw (Poland). - 2003. - P. 25-28.

12. Качмар Р. Я. Визначення періодичності контрольно-регулювальних робіт автомобільних двигунів за показником токсичності / 60 наукова конфер. проф.-викл.складу і студ. НТУ. Тези доповідей. - К.: НТУ, 2004. - С. 17.

13. Качмар Р. Я. Сподівані екологічний та економічний ефекти від зменшення токсичності відпрацьованих газів автомобілів / 61 наукова конфер. проф.-викл.складу і студ. НТУ. Тези доповідей. - К.: НТУ, 2005. - С. 27.

Размещено на Allbest.ru