Удосконалення способу контролю викидів твердих частинок від тепловозів

22

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Володимира Даля

УДК 629.4.018

УДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБУ КОНТРОЛЮ ВИКИДІВ ТВЕРДИХ ЧАСТИНОК ВІД ТЕПЛОВОЗІВ

05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полив'янчук Андрій Павлович

Луганськ-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Звонов Василь Олексійович, Головний науковий співробітник відділу „Перспективні енергозберігаючі та еколого-інформаційні технології в автомобілебудуванні” ДНЦ РФ „НАМІ”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Тартаковський Едуард Давидович, Харківська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри „Експлуатація та ремонт рухомого складу”

кандидат технічних наук Парсаданов Ігор Володимирович, Національний технічний університет „ХПІ”, доцент кафедри „Двигуни внутрішнього згоряння”

Головна організація:Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України, кафедра “Локомотиви”, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “21” травня 2004 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Ді29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, корпус 1, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий “20 ” квітня 2004 г.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. На сучасному етапі в залізничному транспорті вводиться новий нормуємий екологічний показник - питомий викид твердих частинок (ТЧ) від тепловозу, який позначається у нормативних документах, як показник РТ (від англ. “particles” - частинки). Разом з іншими показниками токсичності відпрацьованих газів (ВГ) - питомими викидами газоподібних забруднюючих речовин (оксидів азоту, монооксиду вуглецю та вуглеводнів), що мають позначення GAS_x, показник РТ починає вимірюватись в ході екологічних випробувань тепловозів (ЕВТ). Міжнародною нормативно-правовою базою для проведення таких випробувань являється стандарт ISO 8178. Згідно з вимогами цього стандарту можлива реалізація способу прискореного виміру показника РТ (СПВ РТ), застосування якого дозволяє підвищити ефективність ЕВТ. Але, для того, щоб використовувати у залізничному транспорті СПВ РТ необхідно вирішити ряд задач: 1) забезпечення потрібної точності даного способу; 2) оцінка доцільності використання СПВ РТ; 3) перевірка практичної придатності СПВ РТ.

Актуальність теми. Контроль викидів ТЧ від тепловозів сьогодні проводиться зі швидкістю виміру показника РТ, суттєво меншою, ніж швидкість вимірювань показників GAS_x. В наслідок цього, з введенням РТ в ряд нормуємих величин суттєво зростають витрати часу і палива на проведення екологічних випробувань рухомого складу: сертифікаційних (в ході яких вимірюються тільки величини, які нормуються - GAS_x і РТ) - відповідно, в 1,2…1,5 та в 1,1…1,4 рази; дослідницьких (в ході яких вимірюються масові викиди забруднюючих речовин на різних режимах випробувань та величини GAS_x і РТ) - в 2,0…3,0 та в 1,8…2,1 рази. З часом, по мірі підвищення жорсткості екологічних норм на екологічні показники локомотивів, швидкість виміру показника РТ буде знижуватись, а витрати часу та ресурсів на проведення ЕВТ - зростати. Розрахункові дослідження показують, що зі зменшенням рівнів викидів ТЧ від тепловозів на кожні 10 % (порівняно з рівнями викидів ТЧ, які існують сьогодні) зростають приблизно в рівній мірі витрати часу та палива на проведення ЕВТ: сертифікаційних - на 5…8%; дослідницьких - на 10…12%. Вищевикладене, а також та обставина, що ЕВТ проводяться регулярно та у великому обсязі, свідчать про те, що підвищення ефективності таких випробувань є актуальним напрямком досліджень.

Особливо актуальна порушена в дисертації тема для вітчизняного залізничного транспорту, в якому сучасний (гравіметричний) спосіб контролю викидів ТЧ від тепловозів раніше не використовувався й з нормуванням показника РТ пов'язаний значний обсяг робіт. Так, при розробленні норм на питомі викиди ТЧ від тепловозів, які експлуатуються в Україні, для кожної серії тепловозів має бути проведено оцінку фактичного рівня викидів ТЧ, яка передбачає проведення найбільш трудомістких і вартісних екологічних випробувань - дослідницьких. Після введення норм на показник РТ дана величина буде вимірюватись в ході сертифікаційних, а також екологічних періодичних випробувань (ДСТУ 32.001-94), які розповсюджуються на весь інвентарний парк тепловозів Укрзалізниці (3000 магістральних та маневрових тепловозів) й проводяться що найменш 4 рази впродовж строку експлуатації кожного тепловозу. Дисертаційні дослідження спрямовані на скорочення економічних витрат на виконання вказаних робіт.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В дисертації відображені результати досліджень, які були проведенні в ході виконання держбюджетної теми № ДН-26-02 “Теоретичні основи підвищення ефективності систем екологічного діагностування транспортних силових установок” (номер державної реєстрації 0102U002219), відповідальним виконавцем якої був автор роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності контролю викидів ТЧ від тепловозів, яке сприяє зниженню трудомісткості та вартості екологічних випробувань рухомого складу. Для досягнення цієї мети сформульовані та вирішені наступні задачі:

· аналіз можливості використання способу прискореного виміру питомого викиду ТЧ (СПВ РТ), як фактора, що підвищує ефективність екологічних випробувань рухомого складу;

· створення теоретичної бази для вирішення задач, пов'язаних з використанням СПВ РТ - комплексної математичної моделі процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів;

· розробка експериментальних установок і методик проведення досліджень, спрямованих на уточнення комплексної математичної моделі процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів та вирішення задач, пов'язаних з використанням СПВ РТ;

· проведення теоретичних та експериментальних досліджень, спрямованих на вирішення задач, пов'язаних з використанням СПВ РТ;

· удосконалення способу контролю викидів ТЧ та методики вимірювання показників токсичності ВГ тепловозів.

Об'єкт дослідження - процес контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів, який проводиться згідно з вимогами стандарту ISO 8178.

Предмет дослідження - ефективність способу прискореного виміру питомих викидів ТЧ від тепловозів.

Методи дослідження. При вирішенні задач дисертаційної роботи використовувались наступні наукові методи: при проведенні аналізу можливості використання у залізничному транспорті СПВ РТ- аналіз та синтез інформації; при створенні комплексної математичної моделі процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів - математичне моделювання; при проведенні досліджень точності СПВ РТ і оцінки доцільності використання цього способу - розрахунковий експеримент; при експериментальному відпрацюванні СПВ РТ - натурні випробування.

Наукова новизна одержаних результатів:

§ удосконалено спосіб контролю викидів ТЧ від тепловозів шляхом введення до алгоритму визначення питомого викиду ТЧ (показника РТ) операцій обчислення та врахування методичної погрішності вимірювання даної величини, що дозволяє використовувати в екологічних випробуваннях рухомого складу спосіб прискореного виміру показника РТ - СПВ РТ;

§ вперше досліджено вплив швидкості виміру показника РТ на ефективність екологічних випробувань рухомого складу, що дозволило підтвердити доцільність використання в залізничному транспорті СПВ РТ;

§ вперше встановлено емпіричні коефіцієнти, які характеризують вплив умов проведення випробувань тепловозів на точність вимірювань показника РТ та використовуються при обчислюванні методичної погрішності вимірювання даної величини;

§ вперше експериментально підтверджено відповідність вимогам стандарту ISO 8178 погрішності відтворюваності результатів вимірювань питомого викиду ТЧ від тепловозу, яка забезпечується СПВ РТ.

Практичне значення одержаних результатів:

-забезпечено потрібну точність СПВ РТ (найбільш ефективного при випробуваннях тепловозів способу контролю викидів ТЧ) шляхом врахування методичної погрішності вимірювань показника РТ (може досягати 2,6…3,7 %);

-створено комплексну математичну модель процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів, за допомогою якої можуть визначатися: тривалість, витрати палива на проведення та вартість екологічних випробувань рухомого складу; параметри, які характеризують умови розбавлення ВГ тепловозного дизеля повітрям в системі відбору проб ТЧ; методична погрішність вимірювань показника РТ;

-виготовлено: експериментальну установку, на базі якої можуть проводитись дослідження теплових процесів, що протікають в системах контролю викидів ТЧ від тепловозів; макетний зразок вимірювального комплексу з мікротунелем МКТ-1, який дозволяє визначати питомі викиди ТЧ від тепловозів різних серій;

-розроблено методику прискореного виміру показників токсичності ВГ тепловозів, в результаті використання якої скорочуються приблизно в рівній мірі витрати часу та ресурсів на проведення екологічних випробувань: сертифікаційних - на 9…28 %, дослідницьких - на 43…53 %; зі зменшенням рівнів викидів ТЧ від тепловозів на кожні 10 % (порівняно з рівнями викидів ТЧ, існуючими сьогодні) наведені %-ні показники будуть збільшуватись в середньому на 2,5 абсолютних % (для обох типів випробувань);

-експериментально підтверджено практичну придатність СПВ РТ для вимірювання викидів ТЧ від тепловозів згідно з вимогами міжнародних та вітчизняних стандартів.

Особистий внесок здобувача:

-вивчено вимоги міжнародних та вітчизняних нормативно-правових документів до технічного оснащення, процедури та порядку проведення ЕВТ [2-5,11]; проаналізовано результати досліджень фірм-розробників систем контролю викидів ТЧ, спрямованих на забезпечення потрібної точності вимірювань показника РТ [6-8,12];

-створено комплексну математичну модель процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів [1,9,10];

-встановлено емпіричні коефіцієнти, які характеризують вплив умов проведення випробувань тепловозів на точність вимірювань показника РТ [6];

-спроектовано, виготовлено та випробувано макетний зразок вимірювального комплексу з мікротунелем МКТ-1 [4,5] та експериментальну установку для досліджень процесу тепловіддачі на межі потік-стінка тунелю [9,10];

-проведено дослідження по забезпеченню потрібної точності вимірювань, оцінюванню доцільності використання та перевірці практичної придатності СПВ РТ [4,5];

-удосконалено спосіб контролю викидів ТЧ та методику вимірювань показників токсичності ВГ тепловозів [6].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації докладались на XI міжнародній науково-технічної конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, Ялта, 2001), науково-практичних конференціях: міжнародній “Міжрегіональні проблемі екологічної безпеки” (Суми, 2002), VI-й міжнародній “Університет и регіон” (Луганськ, 2000), регіональній “Екологія та безпека життєдіяльності. Інноваційні процеси в науці, технологіях та освіті” (Макіївка, 2001), а також на V-м і VI-м міжнародних конгресах двигунобудівників (Крим, Рибачьє, 2000 и 2001).

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень опубліковані в 12-ти друкованих роботах, з них: 2 - статті у наукових журналах, 9 - статті в збірниках наукових праць та 1 - тези доповіді на науково-практичній конференції.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, додатків. Повний обсяг дисертації - 190 сторінок, в тому числі: 38 рисунків на 22 сторінках, 26 таблиць на 15 сторінках, 5 додатків на 27 сторінках, список використаних джерел з 105 найменувань на 11 сторінках.

тепловоз твердий частинка викид

Основний зміст

У вступі показано суть та сучасний стан теми, що розглядається, обгрунтовано її актуальність; сформульовано мету та задачи дисертаційної роботи; визначено об'єкт, предмет і методологію досліджень; показані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.

Перший розділ присвячений вивченню встановленої стандартом ISO 8178 технології вимірювання показників токсичності ВГ тепловозів (GAS_x і PT) та аналізу можливості використання в залізничному транспорті СПВ РТ.

При вивченні технології вимірювання показників GAS_x і PT розглянуті такі питання: технічне оснащення, процедура та порядок проведення ЕВТ; особливості технології вимірювання показника РТ. В результаті розглядання указаних питань встановлено наступне.

Згідно з вимогами стандарту ISO 8178, ЕВТ проводяться на базі спеціального обладнання, до складу якого входять: реостатна установка, система відбору і аналізу проб газоподібних забруднюючих речовин та система контролю масових викидів ТЧ - тунель. В тунелі здійснюється змішування ВГ тепловозу (повного потоку або його частки) з атмосферним повітрям у спеціальному трубопроводі, з якого розбавленні ВГ відбираються в лінію відбору проб й пропускаються через встановлені в ній пару фільтрів для збору ТЧ. В результаті порівняльного аналізу різних типів тунелів на предмет можливості їх використання в залізничному транспорті (по критеріям: вартість, мобільність, зручність у експлуатації) встановлено, що системою контролю викидів ТЧ, яка найбільш відповідає умовам випробувань тепловозів, є система розбавлення частки потоку ВГ з повнопоточною лінією відбору проб - мікротунель [4].

Процедура визначення показників токсичності ВГ тепловозів представляє собою випробувальний цикл, який складається з нормуємих режимів роботи тепловозного дизеля. Міжнародною процедурою ЕВТ є 3-ступінчатий цикл ISO 8178-F, який складається з режимів: 1-й - номінальна потужність (N_e(nom)), 2-й - 35% від N_e(nom) та 3-й - тепловозний холостий хід (N_e(idle)). Вітчизняний аналог даної процедури - 5-ступінчатий випробувальний цикл ДСТУ 32.001-94, що включає в себе режими: 1-й - N_e(nom), 2-й - 75% від N_e(nom), 3-й - 50% від N_e(nom), 4-й - 25% від N_e(nom) та 5-й - N_e(idle). При виконанні вказаних випробувальних циклів враховуються реальні умови експлуатації тепловозів за допомогою вагових факторів нормуємих режимів випробувань - WF (табл. 1).

Процес контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів складається з 2-х стадій: попереднього прогріву дизеля та послідовного виконання випробувального циклу. При виконанні циклу робота дизеля на кожному режимі випробувань складається з двох етапів: температурної стабілізації та відбору проб забруднюючих речовин для аналізу. При цьому відбір проб ТЧ може проводитись двома методами: однофільтровим (ОФ), при якому ТЧ відбираються на одну пару фільтрів протягом всього циклу, або многофільтровим (МФ), при якому ТЧ відбираються на одну пару фільтрів на кожному режимі випробувань (ОФ метод використовується при проведенні сертифікаційних, а МФ метод - дослідницьких випробувань). При відборі проб ТЧ маси навішень ТЧ, що збираються на фільтрах за цикл - M_f (ОФ метод), або за режим - M_fi (МФ метод) повинні бути більшими, або рівними мінімально допустимим значенням цих величин - M_f(min) та M_fi(min).

Таблиця 1. Локомотивні випробувальні цикли ISO 8178-F і ДСТУ 32.001-94 та вагові фактори нормуємих режимів випробувань

Цикл	ISO 8178-F	ДСТУ 32.001-94
№ режиму	1	2	3	1	2	3	4	5
% від Ne(nom)	100	35	Ne(idle)	100	75	50	25	Ne(idle)
WF	Магіст.	0,25	0,15	0,60	0,06	0,13	0,11	0,10	0,60
	Вивозн.				0,25	0,03	0,03	0,02	0,67
	Маневр.				0,005	0,015	0,12	0,40	0,46

Примітка. В таблиці позначені: Магіст., Вивозн., Маневр. - робота тепловозу: магістральна, вивозна та маневрова, відповідно.

За результатами випробувань тепловозу по циклу розраховуються показники GAS_x та РТ, як відношення середніх за цикл масових викидів газоподібних забруднюючих речовин та ТЧ до середньої за цикл ефективної потужності дизеля.

Технологія вимірювань показника РТ має ряд особливостей:

- виникнення методичної погрішності вимірювань показника РТ - дPT^meth унаслідок впливу на вимірюване значення показника РТ умов розбавлення ВГ повітрям в тунелі, які визначаються значеннями двох параметрів: температури розбавляючого повітря - t_dil (може змінюватись в діапазоні 20 … 30 ?С - припустимі значення) та максимальної температури проби розбавлених ВГ перед фільтрами - t_f(max) (може змінюватись в діапазоні 48 … 52 ?С - значення, які реально використовуються) 4,7,12; погрішність дPT^meth визначається, як відносне відхилення питомого викиду ТЧ, який був виміряний при фактичних значеннях температур t_dil і t_f(max), від питомого викиду ТЧ, який був виміряний при оптимальних значеннях вказаних температур - t_dil^opt = 25 С та t_f(max)^opt = 50 С;

- непряме обмеження тривалостей відбору проб ТЧ величинами M_f(min) та M_fi(min), а також швидкістю фільтрації проби розбавлених ВГ - v_f, яка може знаходитись в діапазоні 35 … 80 см/с; невисокі швидкості фільтрації проби - 45 … 60 см/с та підвищені значення мас навішень ТЧ - M_f = M_fi = 3 мг, якими характеризується спосіб виміру показника РТ, що використовується сьогодні, є причиною низької швидкості вимірювань даної величини, а, в наслідок цього, й причиною зростання витрат часу та ресурсів на проведення ЕВТ 6;

- вплив на трудомісткість та вартість ЕВТ такого фактору, як зменшення рівнів викидів ТЧ унаслідок підвищення жорсткості норм на екологічні показники локомотивів: зі зменшенням рівнів викидів ТЧ зростають тривалості відбору проб ТЧ, що приводить до збільшення витрат часу і ресурсів на проведення випробувань; врахування впливу указаного фактору на ефективність ЕВТ зручно проводити за допомогою відносної величини , яка визначається, як відношення початкового питомого викиду ТЧ, що відповідає моменту введення норм на показник РТ, до фактичного питомого викиду ТЧ, що відповідає моменту проведення випробувань.

В ході аналізу можливості використання в залізничному транспорті СПВ РТ розглянуті питання: параметри, що визначають СПВ РТ; особливості даного способу; невирішені задачі, пов'язані з використанням СПВ РТ, та шляхи їх розв'язання. В результаті розгляду вказаних питань встановлено наступне.

СПВ РТ забезпечує максимально допустиму стандартом ISO 8178 швидкість вимірювань питомого викиду ТЧ від тепловозу та характеризується максимально допустимою швидкістю фільтрації проби розбавлених ВГ - v_f(max) = 80 см/с і мінімально допустимими масами навішень ТЧ - M_f(min) = 1,3 мг та M_fi(min) = 0,75 мг (при використанні фільтрів з діаметрамии 70 мм) (рис. 1).

Рис. 1. Значення параметрів M_f (M_fi) і v_f, що відповідають СПВ РТ та способу виміру показника РТ, який використовується сьогодні

В результаті використання СПВ РТ скорочуються витрати часу на відбір проб ТЧ: при ОФ методі - в 3,1 … 4,1 рази, при МФ методі - в 5,3 … 7,1 рази, що дозволяє підвищити ефективність ЕВТ. Разом з цим, СПВ РТ має ряд особливостей, які необхідно враховувати при реалізації даного способу:

- зниження мас навішень ТЧ до значень M_f(min) та M_fi(min) приводить до деякого зростання інструментальної - дPT^inst, а, в наслідок цього, і результуючої - дPT^r погрішностей вимірювання показника РТ (погрішність дPT^r визначається, як сума величин дPT^inst та дPT^meth; вона не повинна перевищувати свого максимально допустимого значення - дPT^r(а) = 8,5%); у зв'язку з цим для забезпечення потрібної точності СПВ РТ необхідно при реалізації цього способу враховувати методичну погрішність дPT^meth;

- швидкість фільтрації проби розбавлених ВГ, яка відповідає СПВ РТ, забезпечується не всіма тунелями, які використовуються сьогодні; для того, щоб використовувати даний спосіб на базі тунелей, в яких не забезпечується швидкість фільтрації проби v_f(max), необхідно замінювати пробовідбірні насоси в лініях відбору проб таких систем; доцільність проведення таких замін повинна бути оцінена;

- зростання погрішності дPT^inst (по вказаній вище причині) приводить до збільшення погрішності відтворюваності результатів вимірювань показника РТ - дPT^v, яка не повинна перевищувати свого максимально допустимого значення - дPT^v(а) = 8,5%; відповідність погрішності дPT^v, яку забезпечує СПВ РТ, встановленим вимогам повинно бути експериментально підтверджено.

З розгляду особливостей СПВ РТ слідує, що використання даного способу в залізничному транспорті може бути почато тільки після вирішення трьох задач, які були вказані вище (див. с. 1). Для вирішення даних задач необхідно провести дослідження по наступним напрямкам: вплив умов проведення випробувань на забезпечувану СПВ РТ точність вимірювань (для вирішення 1-ї задачі); вплив швидкості виміру показника РТ на ефективність ЕВТ (2-ї задачі); експериментальне відпрацювання СПВ РТ (3-ї задачі).

Другий розділ присвячено створенню теоретичної бази для вирішення задач, пов'язаних з використанням СПВ РТ. Такою теоретичною базою є комплексна математична модель процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів. Дана модель представляє собою систему алгебраїчних виражень, які пов'язують між собою параметри, що визначають умови проведення ЕВТ та швидкість виміру показника РТ, з показниками ефективності випробувань та погрішністю дPT^meth. При цьому в якості критеріїв ефективності ЕВТ виступають:

- абсолютна ефективність ЕВТ - E^test - 3-х мірний вектор, складовими якого являються середні значення (крапкові оцінки математичних очікувань) абсолютних величин: тривалості (в год) - , витрат палива на проведення (в кг) - та вартості (в грн) - випробувань;

- відносна ефективність ЕВТ - - 3-х мірний вектор, складовими якого являються середні значення (крапкові оцінки математичних очікувань) відносних величин: тривалості - , витрат палива на проведення - та вартості - випробувань, які дорівнюють відношенням складових показника E^test до відповідних тривалості, витрат палива на проведення та вартості процедури виміру показників GAS_x.

До складу комплексної математичної моделі процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів входять: математична модель процесу охолодження розбавлених ВГ тепловозу в тунелі - S₁, математична модель впливу умов проведення випробувань на вимірюване значення показника РТ - S₂ та математична модель формування складових ефективності ЕВТ - S₃.

Математична модель S₁ призначена для визначення параметрів, які характеризують умови розбавлення ВГ повітрям в тунелі на нормуємих режимах випробувань: коефіцієнтів розбавлення ВГ - q_i та температур проби розбавлених ВГ перед фільтрами - t_ti. Дана модель представляє собою систему двох рівнянь:

,

де i - індекс режима випробувань; G_edf - масова витрата розбавлених ВГ (кг/год) в еталонній (повнопоточній) системі контролю викидів ТЧ від тепловозів, яка характеризується діаметром та довжиною трубопроводу розбавлення ВГ - 1,2 м і 12 м, відповідно; G_exhi - масова витрата ВГ, кг/год; t_ti^b - середньомасова температура потоку розбавлених ВГ в початковому перетині трубопроводу розбавлення ВГ еталонної системи, С; Дt^w_(t-sam)i - величина зменшення температури розбавлених ВГ внаслідок теплопередачі через стінки трубопроводів тунелю та лінії відбору проб (визначається шляхом сумісного вирішення рівнянь теплового балансу та теплопередачі, які описують процеси теплообміну з навколишнім середовищем потоків розбавлених ВГ, що протікають в указаних трубопроводах), С; Дt^aux_sami - величина зменшення температури розбавлених ВГ, що протікають в лінії відбору проб, внаслідок теплових втрат на допоміжних елементах даного трубопроводу: фланцях, трійниках, шарових кранах та ін. (визначається на основі припущення о пропорційності названих теплових втрат та кількості тепла, яке підводиться з ВГ в тунель), С.

Математична модель S₂ призначена для визначення погрішності дPT^meth. Дана модель представляє собою систему з n рівнянь для обчислення методичних погрішностей вимірювань масових викидів ТЧ на нормуємих режимах випробувань - (n - число режимів) та рівняння для обчислення погрішності дPT^meth:

, i = 1, …, n

де K_qi, K_tfi - коефіцієнти, які враховують вплив параметрів q і t_f на масовий викид ТЧ, що вимірюється на i-му режимі; q₀ = 17, t_f0 = 45 С - фіксовані значення параметрів q і t_f; q_i, t_fi та q_i^opt, t_fi^opt - параметри, які характеризують умови розбавлення ВГ при фактичних та оптимальних значеннях температур t_dil і t_f(max) (див. с. 6); K_PTmassi = PT_massi / PT_mass(m) - безрозмірні коефіцієнти, які характеризують вплив масових викидів ТЧ, що відповідають нормуємим режимам випробувань - PT_massi, на величину погрішності дPT^meth (PT_mass(m) - середній за випробувальний цикл масовий викид ТЧ).

Вираження для визначення погрішностей отримано на основі аналізу результатів експериментальних досліджень фірм AVL та Mitsubishi по оцінюванню впливу умов розбавлення ВГ на структуру та вимірювані масові викиди ТЧ. Коефіцієнти K_PTmassi залежать від типу тепловозного дизеля і повинні визначатися індивідуально для кожної серії тепловозів, що випробовуються.

Математична модель S₃ призначена для визначення складових показників E^test та і представляє собою систему трьох рівнянь:

,

,(1)

,

де ф^heat - тривалість етапу попереднього прогріву тепловозного дизелю, год; ф_i^mode = ф_i^st + max{ф_i^sam(GASx); ф_i^sam(РТ)} - тривалість роботи дизеля на режимі випробувань, год (ф_i^st - витрати часу на температурну стабілізацію дизеля, год; ф_i^sam(GASx) - тривалість відбору проб газоподібних забруднюючих речовин, яка приймається рівною 0,05 год; ф_i^sam(РТ) - тривалість відбору проб ТЧ (год), яка визначається на основі даних о концентрації ТЧ в ВГ, умовах розбавлення ВГ та величинах v_f і M_f (або M_fi)); G_fuel^heat - витрата палива на етапі попереднього прогріву дизеля, яка приймається рівною витраті палива на режимі N_e(idle), кг/год; G_fueli - витрата палива на режимі випробувань, кг/год; c_fuel, c_oil - питомі вартості палива й масла, грн/кг ; c_test - вартість 1 години роботи персоналу, грн/год; k_oil - коефіцієнт, який дорівнює відношенню маси масла, що витрачається в ході випробувань, до маси витрачаємого палива.

Усі величини, які входять до системи (1), представляють собою середні значення вказаних параметрів, які визначаються по результатам серії спостережень. При цьому величини ф^heat, ф_i^st та k_oil визначались на основі результатів реостатних випробувань тепловозів, які проводились в Холдінговій компанії “Луганськтепловоз”, величини c_fuel, c_oil - на основі цін на паливно-мастильні матеріали, діючих на 12.01.2004 р., величина c_test - на основі окладів персоналу, що приймає участь у проведенні випробувань, штат якого встановлено ВНД 32.0.06.001-99.

Складові показника обчислюються на основі вказаних вище визначень величин , і ; при цьому тривалість, витрати палива на проведення та вартість процедур виміру показників GAS_x визначаються за допомогою системи (1) при значенні параметру ф_i^mode = ф_i^st + ф_i^sam(GASx).

В третьому розділі описано експериментальну базу для проведення досліджень, спрямованих на уточнення комплексної математичної моделі процесу контролю викидів забруднюючих речовин від тепловозів та вирішення задач, пов'язаних з використанням СПВ РТ. Таку експериментальну базу становлять:

- методика та експериментальна установка для проведення досліджень процесу тепловіддачі на межі потік розбавлених ВГ - стінка системи контролю викидів ТЧ від тепловозів; за допомогою даних методики та установки визначалось критеріальне рівняння, що описує тепловіддачу на межі потік-стінка тунелю, яке використовується в математичній моделі S₁ при визначенні коефіцієнту теплопередачі крізь стінку тунелю;

- макетний зразок вимірювального комплексу з мікротунелем МКТ-1 для контролю масових викидів ТЧ від тепловозів; на базі даного вимірювального комплексу проводились дослідження по перевірці адекватності математичної моделі S₁, а також виконувалось експериментальне відпрацювання СПВ РТ;

- методики проведення досліджень, спрямованих на вирішення задач, пов'язаних з використанням СПВ РТ.

Методика досліджень процесу тепловіддачі на межі потік-стінка тунелю призначена для визначення критеріального рівняння, що встановлює зв'язок між критерієм Нусельта - Nu, який характеризує тепловіддачу, та трьома газодинамічними параметрами потоку, що протікає в тунелі: критерієм Рейнольдса - Re та безрозмірними коефіцієнтами K_T і k_v, які враховують нерівномірність розподілу абсолютних температур та швидкостей нагрітого та холодного потоків (ВГ і повітря) у початковому перетині тунеля (факт впливу на величину Nu параметрів Re, K_T та k_v встановлено шляхом складання математичного опису процесу тепловіддачі, що досліджується [9]). Згідно з методикою критеріальне рівняння тепловіддачі визначається у вигляді:

,(2)

де K - коефіцієнт; f(Re), f(k_T) і f(k_v) - функції однієї перемінної.

Вираження (2) визначається в ході експериментальних досліджень, які проводяться по збалансованому плану типа Латинський квадрат 44, яким передбачається вимірювання критерію Нусельта при різних поєднаннях параметрів Re, k_T і k_v. При цьому кожний з параметрів, що впливають на тепловіддачу, варіюється на 4-х рівнях, встановлених з врахуванням реальних умов протікання процесу розбавлення ВГ в системах контролю викидів ТЧ від тепловозів:

Re = 4000; 10000; 30000; 100000; k_T = 1,28; 1,52; 1,76; 1,97; k_v = 0,6; 1,4; 2,2; 3,0.

З метою реалізації вказаної методики розроблено експериментальну установку, яка представляє собою зменшену у 24 рази копію еталонної системи контролю викидів ТЧ від тепловозів. Установка дозволяє створювати в тунелі встановлені планом експерименту умови змішування нагрітого та холодного потоків (які визначаються величинами параметрів Re, K_T і k_v) та вимірювати відповідні їм значення критерію Nu з використанням методу ентальпії 9,10. При цьому замість ВГ в якості робочого тіла використовується нагріте повітря.

Макетний зразок вимірювального комплексу з мікротунелем МКТ-1 спроектовано, як систему контролю викидів ТЧ, що найбільш відповідає умовам проведення випробувань тепловозів [4,5]. До складу вимірювального комплексу входять: мікротунель МКТ-1 та камера для стабілізації та зважування фільтрів. Мікротунель МКТ-1 (рис. 2) призначено для відбору частки потоку ВГ з вихлопної системи тепловозного дизеля 1, розбавлення ВГ атмосферним повітрям в тунелі 3 та відбору проб ТЧ з розбавлених ВГ на фільтри, встановлені в лінії відбору проб 4. При цьому газодувка, що створює витрату розбавлених ВГ в тунелі, одночасно виступає й пробовідбірним насосом. З метою забезпечення потрібних умов розбавлення ВГ в тунелі використовується система температурного регулювання з нагрівачем розбавляючого повітря.

Рис. 2. Система контролю викидів ТЧ від тепловозів - мікротунель МКТ-1: 1 - вихлопна система тепловозного дизеля; 2 - теплоізольований трубопровід подводу ВГ; 3 - мікротунель; 4 - лінія відбору проб.

Камера для стабілізації та зважування фільтрів призначена для проведення процедур стабілізації маси робочих фільтрів і їх зважування перед початком випробувань та після їх завершення. Температура й відносна вологість в камері підтримуються постійними в діапазонах 22±3 ?С та 45±8 %, відповідно. Усередині камери встановлені аналітичні ваги (погрішність зважування ± 0,05 мг) та касета з робочими фільтрами (місткість - до 30 пар фільтрів).

Методика досліджень впливу умов проведення випробувань на забезпечувану СПВ РТ точність вимірювань передбачає виконання операцій:

- визначення інструментальної погрішності вимірювань показника РТ - дPT^inst, як погрішності результата непрямих вимірювань 8,12;

- визначення функціональної залежності дPT^meth = f(t_dil, t_f(max)) в ході виконання 2-факторного розрахункового експерименту на базі моделей S₁ і S₂;

- визначення умов розбавлення ВГ (тобто значень параметрів t_dil і t_f(max)), при яких при реалізації СПВ РТ повинна враховуватись погрішність дPT^meth; дана операція передбачає вирішення нерівності:

.(3)

де дPT^meth(a), дPT^r(a) - максимально припустимі значення методичної та результуючої погрішностей вимірювання показника РТ.

Методика досліджень впливу швидкості виміру показника РТ на ефективність ЕВТ передбачає виконання двох операцій:

1) порівняння способу виміру показника РТ, який використовується сьогодні (найбільш швидкісної його реалізації), називаного способом 1, та СПВ РТ, називаного способом 2 (див. рис. 1); в якості критеріїв порівняння вказаних способів виступають показники ефективності ЕВТ - Е^test та ;

2) оцінка ступені підвищення ефективності ЕВТ в результаті використання СПВ РТ; в ході виконання цієї операції визначаються два показники:

- абсолютне підвищення ефективності ЕВТ - - 3-х мірний вектор, складовими якого являються середні значення (крапкові оцінки математичних очікувань) абсолютних величин: економії часу (год) - , економії палива (кг) - та економічної ефективності (грн) - від заміни способу 1 на спосіб 2;

- відносне підвищення ефективності ЕВТ - - 3-х мірний вектор, складовими якого являються середні значення (крапкові оцінки математичних очікувань) відносних величин: економії часу - , економії палива - та економічної ефективності - від заміни способу 1 на спосіб 2, виражені у процентах;

В ході виконання указаних операцій визначаються функціональні залежності складових показників E^test, (для способів 1 і 2) та , від величини (див. с. 6) та проводиться аналіз отриманих результатів.

Методика експериментального відпрацювання СПВ РТ передбачає виконання наступних операцій:

- проведення серії вимірювань питомого викиду ТЧ від тепловозу або силової установки, що імітує роботу тепловозного дизелю, з використанням СПВ РТ;

- обчислення погрішності відтворюваності результатів вимірювань показника РТ - дPT^v:

,(4)

де ДРТ = t_(0,95;n-1)*S_PT - ширина довірчого інтервалу виміряного значення показника РТ (t_(0,95;n-1) - критерій Стьюдента при довірчій імовірності 0,95 та числі вимірів - n; S_PT - середнє квадратичне відхилення результатів вимірювань), PT_(m) - середнєвиміряне значення питомого викиду ТЧ в серії вимірів;

- порівняння погрішності PТ^v з максимально допустимою величиною PТ^v(а); на основі результатів порівняння робиться висновок о відповідності точності СПВ РТ вимогам стандарту ISO 8178.

У четвертому розділі представлені результати теоретичних та експериментальних досліджень, проведених по наступним напрямкам: 1) дослідження процесу тепловіддачі на межі потік-стінка тунелю; 2) перевірка адекватності математичної моделі S₁; 3) визначення коефіцієнтів K_PTmassi; 4) вплив умов проведення випробувань на забезпечувану СПВ РТ точність вимірювань; 5) вплив швидкості виміру показника РТ на ефективність ЕВТ; 6) експериментальне відпрацювання СПВ РТ (дослідження, що позначені номерами 1, 4-6, проводились згідно з однойменними методиками).

В результаті досліджень процесу тепловіддачі на межі потік-стінка тунелю визначено критеріальне рівняння, яке описує даний процес [9]:

.(5)

В ході досліджень встановлено, що зміна параметрів k_T і k_v (в межах встановлених планом експерименту діапазонів варіювання даних величин) не оказує суттєвого впливу на тепловіддачу та при обчисленні критерія Nu вказані коефіцієнти можна не враховувати (з погрішністю, що не перевищує ± 3,5 %) [1,9]. Перевірка адекватності залежності (5) по крітерію Фішера підтвердила її відповідність експериментальним даним.

Дослідження по перевірці адекватності математичної моделі S₁ проводились на базі мікротунелю МКТ-1 в ході випробувань дизелю Д65М по локомотивному циклу ДСТУ 32.001-94. На кожному режимі роботи дизельної установки було визначено фактичні (вимірянні) - t_fi та розрахункові (обчисленні за допомогою моделі S₁) - t_fi^cal значення температури розбавлених ВГ перед фільтрами. Результати випробувань підтвердили адекватність моделі S₁: обчислене на основі даних о величинах t_fi та t_fi^cal значення критерію Фішера не перевищило табличного значення даної величини.

Значення коефіцієнтів K_PTmassi, що відповідають нормуємим режимам міжнародного локомотивного циклу ISO 8178-F, визначались для вітчизняних тепловозів 2ТЭ116, 2ТЭ10У, ТЭМ-2 та ЧМЭ-3 за допомогою формули для обчислення вказаних коефіцієнтів на базі експериментальних даних о викидах ТЧ від тепловозів названих серій (табл. 2).

Таблиця 2. Значення коефіцієнтів K_PTmass, які відповідають режимам циклу ISO 8178-F

Режим випробувань	Значення KPTmass для різних серій тепловозів
	2ТЭ116	2ТЭ10У	ТЭМ-2	ЧМЭ-3
1	1,40	2,84	2,56	3,53
2	2,88	1,36	1,37	0,35
3	0,6	0,14	0,26	0,11

В якості вихідних даних для проведення досліджень впливу умов проведення випробувань на забезпечувану СПВ РТ точність вимірювань використовувались: результати екологічних випробувань магістрального - 2ТЭ116 та маневрового - ТЭМ-2 тепловозів; технічні характеристики діагностичного обладнання, яке використовується при проведенні реостатних випробувань в ХК “Луганськтепловоз”; вимоги стандарту ISO 8178 що до точності вимірювань параметрів, по яким розраховується показник РТ. Дослідження показали, що при реалізації СПВ РТ умови розбавлення ВГ поділяються на дві області: область, в який величина дPT^meth перевищує значення дPT^meth(a) (тобто виконується нерівність (3)) і повинна враховуватись, та область, в який величиною дPT^meth можна знехтувати (рис. 3). При цьому вказані області повинні визначатися індивідуально для кожної серії тепловозів.

Дослідження впливу швидкості виміру показника РТ на ефективність ЕВТ проводились на базі результатів екологічних випробувань тепловозів 2ТЭ116 і ТЭМ-2. В якості процедури випробувань розглядався цикл ISO 8178-F.

а) б)

Рис. 3. Залежності погрішності дPT^meth від параметрів t_dil та t_f(max) при випробуваннях тепловозів 2ТЭ116 (а) і ТЭМ-2 (б): 1, 2 - значення PT^meth(а) при сертифікаційних та дослідницьких випробуваннях.

В результаті порівняння способів 1 і 2 (див. пояснення введених позначень на с. 13) встановлено дві переваги способу 2 над способом 1 (рис. 4):

- при початковому рівні викидів ТЧ (тобто при РТ = 1): на відміну від способу 1, при застосуванні якого суттєво знижується ефективність ЕВТ, спосіб 2 дозволяє проводити виміри показника РТ з ефективністю ЕВТ, приблизно рівною ефективності процедури вимірювань показників GAS_x;

- при зменшенні рівнів викидів ТЧ (тобто при збільшенні РТ): порівняно зі способом 1 спосіб 2 характеризується суттєво меншою ступінню зростання параметрів , і , яка обумовлена збільшенням параметра : при сертифікаційних випробуваннях - в 3,1 рази, дослідницьких - в 5,3 рази.

Оцінка ступені підвищення ефективності ЕВТ від заміни способу 1 на спосіб 2 показала, що складові показника - , і приймають значення: при сертифікаційних випробуваннях - 0,2 … 0,7 год, 25 … 45 кг та 35 … 70 грн, що становить для кожної величини 9 … 28 % від складових показника Е^test, які відповідають способу 1; при дослідницьких випробуваннях - 1,7 … 3,0 год, 120 … 225 кг та 160 … 310 грн, що становить для кожної величини 43 … 53 % від складових показника Е^test, які відповідають способу 1; при збільшенні параметра РТ, зі зростанням даної величини на кожну одиницю, значення параметрів , і зростають додатково: при сертифікаційних випробуваннях - на 0,3 … 0,7 год, 45 … 55 кг та 70 … 80 грн; при дослідницьких випробуваннях - на 1,7 … 3,0 год, 115 … 235 кг та 165 … 315 грн.

а)

б)

Рис. 4. Залежності складових показників Е^test та способів 1 і 2 від параметра при сертифікаційних (а) та дослідницьких (б) випробуваннях: 1, 2, 3 - випробування тепловозу 2ТЭ116: використовується спосіб 1; використовується спосіб 2; вимірюються тільки показники GAS_x, відповідно; 4, 5, 6 - випробування тепловозу ТЭМ-2: використовується спосіб 1; використовується спосіб 2; вимірюються тільки показники GAS_x, відповідно.

Результати порівняння способів 1 і 2 та оцінки ступені підвищення ефективності ЕВТ від заміни способу 1 на спосіб 2 свідчать про те, що використання СПВ РТ в залізничному транспорті є доцільним.

Експериментальне відпрацювання СПВ РТ проводилось на базі дизельної установки Д65М з використанням мікротунелю МКТ-1. В ході відпрацювання реалізовані локомотивні випробувальні цикли ISO 8178-F і ДСТУ 32.001-94 та визначено погрішність PТ^v (по результатам 5-ти вимірів показника РТ в ході виконання циклу ISO 8178-F).

Результати випробувань показали, що величина PТ^v (обчислена за допомогою вираження (4)) складає 7,2 %, що відповідає вимогам стандарту ISO 8178 та свідчить про практичну придатність СПВ РТ.

П'ятий розділ присвячено удосконаленню способу контролю викидів ТЧ та методики вимірювання показників токсичності ВГ тепловозів, а також розробці рекомендацій що до використання результатів дисертаційної роботи.

На базі результатів проведених досліджень удосконалено спосіб контролю викидів ТЧ від тепловозів шляхом введення до алгоритму визначення питомого викиду ТЧ на стадії обробки результатів досліджень двох операцій:

- обчислення методичної погрішності вимірювань показника РТ - дPT^meth;

- коректування виміряного значення питомого викиду ТЧ - РТ^meas з врахуванням величини дPT^meth:

,(6)

де РТ* - кінцевий результат вимірювань питомого викиду ТЧ.

В результаті виконання указаних операцій результуюча погрішність вимірювань показника РТ зменшується на величину дPT^meh (яка може досягати 2,6 … 3,7 % (див. рис.3)), що забезпечує потрібну точність СПВ РТ при будь-яких допустимих стандартом ISO 8178 умовах проведення випробувань і дозволяє почати практичне використання даного способу.

В результаті удосконалення методики вимірювання показників токсичності ВГ тепловозів розроблено методику прискореного виміру показників GAS_x та PT, яка дозволяє проводити ЕВТ з мінімальними витратами часу і ресурсів. Дана методика передбачає послідовне виконання трьох етапів проведення вимірювань:

- підготовка до проведення вимірювань: визначення параметрів, що характеризують фактичні та оптимальні умови розбавлення ВГ в тунелі - q_i, t_fi та q_i^opt, t_fi^opt (використовується модель S₁); визначення погрішності дPT^meth та умов розбавлення ВГ, при яких при реалізації СПВ РТ дана погрішність повинна враховуватись (використовуються моделі S₁ та S₂); визначення фактичних тривалостей відбору проб ТЧ, що відповідають СПВ РТ (використовуються моделі S₁ та S₃);

- проведення випробувань тепловозу по циклу з вимірюванням на кожному режимі параметрів, необхідних для обчислення показників GAS_x і PT; при цьому тривалості відбору проб ТЧ повинні відповідати СПВ РТ, а розбавлення ВГ в тунелі повинно проводитись при одному з двох режимів розбавлення: фактичному або оптимальному;

- обробка результатів випробувань та обчислення показників GAS_x і PT; при цьому кінцевий результат вимірювань питомого викиду ТЧ - РТ* обчислюється з врахуванням режиму розбавлення ВГ: при фактичному розбавленні, при якому повинна враховуватись погрішність дPT^meth, величина РТ* визначається за допомогою вираження (6); при оптимальному розбавленні і фактичному розбавлені, при якому дPT^meth можна не враховувати, величина РТ* приймається рівною питомому викиду ТЧ, виміряному в ході випробувань: РТ* = РТ^meas.

При виконанні даної методики рекомендується використовувати економічну та мобільну систему контролю викидів ТЧ - мікротунель.

В результаті техніко-економічної оцінки описаної методики встановлено основні її достоїнства: широка галузь використання (локомотивні депо, тепловозобудівні та тепловозоремонтні заводи, науково-дослідні лабораторії), універсальність (можливість застосування при випробуваннях різних серій тепловозів, реалізація різних випробувальних процедур), висока ефективність. Так, при сучасному рівні викидів ТЧ сумарні економія часу, економія палива та економічна ефективність від використання методики при діагностуванні всього інвентарного парку тепловозів Укрзалізниці (3000 тепловозів) складають: при проведенні сертифікаційних випробувань - 1500 год, 105 000 кг, 165 000 грн; дослідницьких випробувань - 7500 год, 480 000 кг, 660 000 грн. З підвищенням жорсткості норм на екологічні показники локомотивів ефективність методики зростає.

На основі результатів дисертаційних досліджень і робіт розроблено серію рекомендацій що до їх використання: у навчальному процесі (при проведенні лекційних, практичних та лабораторних занять по напрямку “Екологічні показники локомотивів, техніка та технологія їх вимірювання”); в виробничій сфері (при розробленні промислових зразків систем контролю викидів ТЧ від тепловозів); в науково-дослідній сфері (при проведенні досліджень ефективності ЕВТ та точності вимірювань показників токсичності ВГ тепловозів); в галузі екологічної стандартизації та сертифікації залізничного транспорту (при проведенні екологічних випробувань та оцінюванні фактичних рівнів викидів ТЧ від тепловозів).

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної для залізничного транспорту наукової задачі: підвищенню ефективності контролю викидів ТЧ від тепловозів, яке сприяє зниженню трудомісткості та вартості екологічних випробувань рухомого складу, що проводяться згідно з вимогами стандарту ISO 8178. Представлені в дисертації результати досліджень і робот, дозволяють зробити наступні висновки.

1. Удосконалено спосіб контролю викидів ТЧ від тепловозів шляхом введення до алгоритму визначення питомого викиду ТЧ (показника РТ) операцій обчислення та врахування методичної погрішності вимірювань даної величини - дPT^meth (може досягати 2,6 … 3,7%). Це дозволяє підвищити точність контролю викидів ТЧ і почати практичну реалізацію способу прискореного виміру питомого викиду ТЧ - СПВ РТ, який забезпечує максимально допустиму стандартом ISO 8178 швидкість вимірювань даного показника. Використання СПВ РТ сприяє зниженню витрат часу і матеріальних ресурсів на проведення екологічних випробувань тепловозів (ЕВТ) за рахунок скорочення тривалостей відбору проб ТЧ: при проведенні сертифікаційних випробувань - в 3,1…4,1 рази; дослідницьких випробувань - в 5,3…7,1 рази.

...