Національний транспортний університет

Качмар Роман Ярославович

УДК 629.113.004

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

05.22.20 - експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Форнальчик Євген Юліанович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки”

Офіційні опоненти: | Заслужений діяч науки і техніки, доктор технічних наук, професор Головчук Андрій Федорович, Дніпропетровський державний аграрний університет, проректор, завідувач кафедри “Сільськогосподарські машини”

кандидат технічних наук, Корпач Анатолій Олександрович, Національний транспортний університет, доцент кафедри “Двигуни і теплотехніка”

Провідна установа: | Державне підприємство “Державний науково-дослідний і проектний інститут автомобільного транспорту”, м. Київ, лабораторія досліджень використання палив і екології

Захист відбудеться “28” жовтня 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий “24” вересня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.П. Матейчик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку вітчизняного автомобілебудування, яке характеризується невисоким рівнем дизелізації, продовженням випуску карбюраторних двигунів, використанням вітчизняних та імпортних автомобільних транспортних засобів (АТЗ) з термінами служби, які вийшли за нормативні (більше 10 років), в тому числі гра-нично зношених, з кожним роком посилюється екологічний тиск на довкілля. Сьогодні учасниками руху є АТЗ надзвичайно широкої номенклатури, різних заводів-виготівників, з різним технічним станом, що призводить до зростання обсягів викидів в атмосферу токсич-них компонентів з відпрацьованими газами (ВГ) бензинових ДВЗ. Одночасно відомо, що рівень технічної експлуатації таких автомобілів невисокий в основному через не проведення поглиблених діагностувальних робіт, особливо щодо визначення технічного стану ДВЗ, з причин недостатньої кількості сучасних засобів діагностування (існуючі фізично і морально застарілі), а також через несвоєчасне виконання технічних обслуговувань з проведенням відповідних контрольно-регулювальних робіт (КРР).

При зростанні інтенсивності руху АТЗ в 1,5-1,8 рази, порівняно з даними десятирічної давності, нерегулярні та неякісні виконання періодичних профілактичних технічних обслу-говувань і ремонтів АТЗ, які регламентуються “Положенням про технічне обслуговування і ремонт дорожніх транспортних засобів автомобільного транспорту”, призводять не тільки до зниження надійності АТЗ, але й росту екологічної небезпеки автомобілів. Періодичності обслуговування в “Положенні” обґрунтовані, виходячи лише з допустимих параметрів зно-шування ресурсних спряжень, які не характеризують рівня токсичності ВГ бензинових дви-гунів, залежно від пробігу АТЗ. Практична відсутність контролю за токсичністю відпрацьо-ваних газів з боку, у першу чергу, технічних служб автотранспортних підприємств (АТП), а також дорожньої служби органів ДАІ, призвело до того, що на сьогодні в Україні більше, ніж 31% із загальних забруднень повітряного басейну припадає на автомобільний транспорт.

Викладене вище і, до цього ж, існуюча тенденція щорічного збільшення в країні гранично зношеного парку АТЗ й лише започаткування вітчизняним двигунобудуванням інжекторного впорскування бензину з нейтралізацією ВГ, а також щорічно зростаючі вимоги ЄЕК ООН стосовно до екологічності автомобілів як на стадії виробництва, так і під час експлуатації їх пояснюють актуальність теми дисертації. Дослідження за темою дисертації входять як складова у науково-дослідні роботи, які виконуються на кафедрі “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки” (ЕРАТ) Інституту інженерної механіки та транспорту НУ “Львівська політехніка”.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок до-сліджень відповідає темі науково-дослідної роботи кафедри ЕРАТ НУ “Львівська політех-ніка”: “Дослідження та оптимізація експлуатаційних властивостей автотранспортних ма-шин та ефективності транспортних процесів”, яка входить у Державний координаційний план НДР за темою “Методи забезпечення раціональної експлуатації та екологічної безпе-ки автомобіля”, сформований науково-експертною радою за фаховим напрямом “Автомобільний транспорт і дорожнє будівництво”. У рамках цієї теми у дисертаційній роботі розроблено та досліджено новий підхід у формуванні періодичностей обслу-говування бензинових ДВЗ за показниками токсичності відпрацьованих газів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування періодичності виконання профілактичних КРР щодо систем живлення і запалювання (СЖЗ) автомобільних бензинових ДВЗ, спрямованих на зниження токсичності ВГ та підвищення рівня технічної експлуатації автомобілів.

Для досягнення мети у роботі розв’язувалися такі задачі:

- аналіз зміни токсичності ВГ бензинових ДВЗ залежно від їх технічного стану, пробігів АТЗ та якості бензину;

- розроблення теоретичної моделі визначення періодичності профілактичних обслугову-вань бензинових ДВЗ за критерієм мінімуму токсичності ВГ (за вмістом СО);

- проведення дорожніх та лабораторних досліджень показників токсичності ВГ бензино-вих двигунів;

- розроблення діагностичного засобу для контролю рівня токсичності ВГ та випробу-вання його на лабораторній установці;

- розроблення математичної моделі комп’ютеризованого засобу діагностування техніч-ного стану ДВЗ за параметрами, які визначають рівень токсичності ВГ;

- проведення лабораторних досліджень на експериментальній установці та розроблення на основі отриманих результатів системи періодичного діагностування бензинових ДВЗ.

Об’єкт дослідження – бензинові карбюраторні двигуни внутрішнього згоряння легкових автомобілів.

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, мате-матичного програмування та моделювання на ПК фізичних процесів; методи дорожніх та стендових досліджень токсичності ВГ за Європейським їздовим циклом; методи проекту-вання та конструювання електронних засобів вимірювання.

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

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

Особистий внесок здобувача. Здобувачу належать: [1] - виконання та опрацювання ре-зультатів перевірки токсичності ВГ автомобільних двигунів; [2] - методика визначення річ-них викидів токсичних речовин за вмістом ВГ на холостому ході; [3] - безпосереднє вико-нання витратоміра та аналіз роботи його елементів; [4] - виконання та опрацювання ре-зультатів 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 витрато-міра; [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 зго-ряння 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, ре-шения” (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 сто-рінках, 11 таблиць, 33 рисунки.

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. Про-аналізовано дослідження щодо зменшення токсичності ВГ відомих вчених, таких як Гута-ревич 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 ви-конанням 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 зго-ряння 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 мі-німальних сумарних витрат, що дозволяє, зменшити втрати від ушкодження природного довкілля токсинами ВГ через передчасне розрегулювання систем ДВЗ у періоді прогнозу-вання його роботи на пробігу АТЗ до ТО-1 з допустимими показниками токсичності ВГ Rпд (числові значення його відповідають чинним офіційним штрафам за перевищення токсич-ності ВГ із обов’язковим доведенням її до нормативної) та витрати власника АТЗ через пе-редчасне виконання КРР щодо регулювання токсичності ВГ - Rд (брались нормативні вартості проведення вимірювань і регулювань токсичності). Критерієм оптимальності пері-одичності КРР щодо СЖЗ двигунів, регулюваннями яких забезпечують допустиму токсич-ність ВГ, є мінімум функції сумарного ризику:

, | (1)

З урахуванням підпорядкованості нормальному закону розподілу експериментальних да-них токсичності ВГ до регулювань СЖЗ уможливлюється опис ймовірності настання пере-вищення допустимих значень СО у ВГ з використанням функцій Лапласа:

, | (2)

де , - витрати, пов’язані відповідно з передчасним КРР СЖЗ одного АТЗ, та із штра-фами 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; - зна-чення токсичності ВГ на момент діагностування, об.%; - мінімальне, регламенто-ване 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 норма-тивної токсичності ВГ за вмістом СО можна визначити через добуток середнього про-бігу 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 (рис. 1).

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 за-трат на виконання КРР двигунів АТЗ будуть мінімальними. При цьому встановлені кіль-кість пропусків КРР k з періодичністю на пробігу , коли вміст СО у ВГ лежить у ме-жах , 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 екс-периментальних лабораторних та дорожніх досліджень впливу на токсичність ВГ регулю-вань СЖЗ.

Рис. 1. Зміна можливих пропусків виконання КРР з періодичністю залежно від вмісту СО у ВГ двигуна ЗМЗ для різних коефіцієнтів варіації нерівномірності розподілу його

Описано розроблені мето-дики досліджень, їх елементну та обчислювальну базу. Для безперервного визначення вміс-ту СО у ВГ використано l-да-вач, 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 визна-чення групового та фракційного складів бензинів і дослідження впливу їх якості на токсич-ність ВГ, брались проби бензину (А-76, А-92 та А-95) на різних АЗС м. Львова, що поста-чалися різними нафтопереробними заводами (НПЗ). Дослідження бензинів проводилося в лабораторії хімії нафти та газу кафедри “Хімічна технологія нафти і газу”, визначався фрак-ційний 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 (рис. 2). 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 експлуа-туються з порушенням норм токсичності ВГ.

Розрахунки викидів токсичних речовин засвідчують, що середньостатистичний автомо-біль області, з бензиновим двигуном викидає у повітря щорічно 319 кг СО. Визначення впливу пробігу автомобіля на токсичність ВГ бензинових двигунів проводилось у таксомо-торному підприємстві “Авто-Макс”. Обстежувались – 33 автомобілі ГАЗ-3110. Результати залежності токсичності ВГ (на прикладі вмісту СО) та компресії у циліндрах ДВЗ від про-бігу автомобілів-таксі, наведені на рис. 3.

Рис. 2. Вміст СО та CnHm у ВГ залежно від режимів випробовування двигуна, марок бен-зинів та НПЗ-постачальників

Рис. 3. Зміна вмісту СО у ВГ та компресії у циліндрах двигунів автомобілів ГАЗ-3110 залежно від їх пробігу: - вміст СО у ВГ після регулювання, - вміст СО у ВГ до регулювання, - допустимий вміст СО у ВГ, - компресія у циліндрах

Вміст СО у ВГ до регулю-вання найкраще узгоджувався із нормальним законом, характе-ризувався 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 змен-шується. 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 – Qco) від пробігу АТЗ та компресії у циліндрах (рис. 4), 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)

Рис. 4. Зміна токсичності ВГ карбюратор-них ДВЗ залежно від пробігів АТЗ та компресії у циліндрах

Отже, мінімальний вміст СО у ВГ спостерігається до пробігу 20 тис.км та при значеннях комп-ресії 0,75-0,85 МПа. До цього пробігу токсичність ВГ практично не змінюється і ле-жить у межах 0,7-0,9 об.% СО. Із збільшенням пробігу АТЗ спостерігається зростання ток-сичності ВГ, яке пояснюється зменшенням максимального тиску наприкінці такту стиску з подальшим порушенням проце-су згоряння, а також зменшен-ням розрідження, що створюєть-ся 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 токсич-ність ВГ карбюраторних ДВЗ проводилися в лабораторії кафедри ЕРАТ на сте-нді для випробування ДВЗ. Для моделювання пробігу автомобіля ГАЗ-3110 проведено за-міну компресійних кілець у циліндрах, що дало змогу простим способом змоделювати зношеність деталей ЦПГ. Випробуваний двигун мав сумарне напрацювання без наванта-ження, 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

№ дос-ліду | Модельований пробіг АТЗ L, тис. км | Значення компресії у циліндрах, p, МПа | Вміст СО у ВГ, QCO об. % | Витрата палива, кг/год

1 | 2 | 3 | 4

1 | 10,0 | 0,950 | 0,975 | 0,950 | 0,975 | 0,85 | 2,191

2 | 15,2 | 0,950 | 0,950 | 0,900 | 0,925 | 1,02 | 2,203

3 | 21,0 | 0,875 | 0,900 | 0,900 | 0,875 | 1,15 | 2,274

4 | 36,5 | 0,775 | 0,825 | 0,800 | 0,800 | 1,68 | 2,354

5 | 45,0 | 0,750 | 0,775 | 0,800 | 0,775 | 2,23 | 2,402

За отриманими даними знайдено залежність зміни токсичності та компресії від модельованого на лабораторній установці пробігу АТЗ (рис. 5).

Рис. 5. Зміна токсичності ВГ за вмістом СО та компресії у циліндрах залежно від пробігу АТЗ (за результатами лабораторних досліджень)

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 (за вмістом СО) 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 nгв та кута випередження запалювання (КВЗ) и відносно оптимальних значень. Дослідження виконувалися за методикою математичного планування повного факторного експерименту. 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 – МCO), витрати палива (y2 – Qпал), залежно від змін положення гвинта якості суміші (nгв) та кута випередження запалювання (Ди). Додатково встановлено вміст СО на холостому ході (QCO) при кожній перевірці та масову токсичність Мсум, зведену до вмісту СО у ВГ із урахуванням коефіцієнтів агресивності (табл. 2).

Таблиця 2

Результати проведення двофакторного лабораторного експерименту

№ досліду | Дійсні значення | Основні результати | Додаткові результати

nгв, град | Ди, град | y1(МCO) г/випр. | y2(QПАЛ) г/випр. | Вміст СО на холостому ходіQCO, об.% | Масова токсичність Мсум, г/випр

1 | 0 | 0 | 91,50 | 352 | 0,5 | 301,71

2 | 0 | -8° | 112,23 | 385 | 2,32 | 324,5

3 | 0 | +8° | 135,36 | 409 | 3,37 | 356,10

4 | -90° | 0 | 145,64 | 473 | 4,42 | 348,21

5 | -90° | -8° | 149,85 | 461 | 6,11 | 355,47

6 | -90° | +8° | 129,18 | 396 | 4,17 | 324,86

7 | +90° | 0 | 126,75 | 411 | 7,57 | 318,00

8 | +90° | -8° | 138,26 | 428 | 5,84 | 362,82

9 | +90° | +8° | 133,42 | 437 | 5,54 | 354,32

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 (рис. 6). 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 nгв та зміни кута випередження запалювання q:

МCO = 105,3006-0,104·nгв-1,4036·q+0,0027·nгв2+0,0008·q·nгв+0,0148·q2, 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)

Рис. 6. Зміна сумарної токсичності ВГ, зведеної до вмісту СО, при випробуванні АТЗ за міським їздовим циклом

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 переви-щення токсичності призводить до падіння масових викидів токсич-них речовин із одночасним погір-шенням 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 l-давача та ноутбука, загальний вигляд якого наведено на рис. 7.

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

Рис. 7. Загальний вигляд діагностичного засобу: 1 – ноутбук, 2 - l-давач, 3 - мілівольтметр вимірювання вмісту СО у ВГ, 4 – клеми живлення газоаналізатора від АКБ, 5 – покажчик частоти обертання, 6 – вимірювальний блок тахометра, 7 - сигнальні клеми (до розподільника), 8 – клеми живлення тахометра від АКБ, 9 – з’єднувальний блок, 10 – аудіо-штекер

Рис. 8. Характеристика змін у перебігу процесу згоряння палива у двигунах ЗМЗ-402.10 залежно від частоти обертання колінчастого валу та вплив цих змін на токсичність ВГ за вмістом СО

Сигнал із виходу l-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 l-давача, отримано характерні відхилення токсичності ВГ від нормального перебігу процесу за вмістом СО (рис. 8, крива 1) із зміною часто-ти обертання колінчастого валу на холостому ходу для карбюра-торних бензинових ДВЗ. Ці від-хилення згруповано: різке зни-ження вмісту СО у ВГ, при від-критті 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 спа-дає із ростом частоти обертання (крива 4); підвищення вмісту СО у ВГ при відкритті дросель-ної заслінки, яке спостерігається від мінімальної до підвищеної частот обертання колінчастого вала (крива 5).

З метою забезпечення роботи діагностувальної установкирозроб-лено програму (у сере-довищі Mathlab 6.0) для порівняння значень зміни токсичності ВГ двигуна автомобіля із рос-том частоти обертання колінчастого валу. Програма дає змогу порівнювати вхідні дані (вводяться із файлу текстового типу) із кривими (рис. 8) 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 джере-лами, де наведені і нормативні значення коефіцієнтів, які входять в цю залежність:

, грн., | (11)

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

Для розрахунку масових викидів токсичних речовин разом із ВГ двигунів у м. Львові, най-більш 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 основ-ними автомагістралями. Встановлено, що інтенсивність руху є сталою для декількох основ-них вулиць міста і центральної частини. Загальна протяжність вулиць центральної частини міста - 10,73 км, а тих, які прилягають до неї – 11,74 км. Оскільки, їздовий цикл складається із 4052 м умовного шляху, або 780 с руху АТЗ, то розділивши довжини вулиць міста із найін-тенсивнішим рухом на довжину пройденого шляху АТЗ при випробуванні за міським їздо-вим 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 регу-лювань СЖЗ двигунів, пробігів з початку експлуатації. Перемноживши значення викидів ВГ на інтенсивність руху на ділянці вулиці, отримано її екологічну навантаженість (рис. 9).

Рис. 9. Екологічні та економічні ефекти від впро-вадження різних систем проведення додаткових КРР автомобільних двигунів порівняно з існуючою систе-мою ТО-1: 1 - викиди токсичних речовин при чинній системі проведення ТО-1(l=5000 км); 2 - екологічний ефект від впровадження системи КРР при l=2500 км; 3 - екологічний ефект від впровадження системи КРР при l=1250 км; 4 - збитки через наростання токсичності при l=5000 км; 5, 6 - економічні ефекти від впровадження системи КРР при відповідно l=2500 км та l=1250 км

Пробіг АТЗ після останнього ТО або КРР визначався залежно від системи проведення регулю-вальних робіт щодо СЖЗ дви-гуна, тобто методики прове-дення КРР. Таким чином, про-біги 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 мен-шими незручностями, зокрема, у 2 рази менша кількість проведення регулювань. Для ін-тенсивностей І>700 авт/год впровадження системи КРР через 1250 км стає більш доціль-ною, за рахунок зменшення збитків через наростання токсичності ВГ, порівняно із систе-мою 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 Lзаг=22,47 км екологічний ефект від запровадження системи КРР щодо СЖЗ з періодичністю 1250 км становитиме Qм1250= 3761,5 т/рік; з періодичністю 2500 км – Qм2500= 3877,982 т/рік. Ці екологічні ефекти оцінюються відповідними економічними: 54,4 тис. грн.; 57,1 тис. грн.

ВИСНОВКИ

1. Сучасний етап розвитку галузі транспорту держави характерний формуванням підви-щених вимог до екологічної безпеки, зокрема автотранспортних засобів. Незважаючи на існуючі вимоги щодо токсичності і димності ВГ автомобільних двигунів і щодалі набли-ження їх до європейських, створення відповідних служб контролю, концентрації шкідли-вих речовин у повітрі міст не знижуються, а навпаки - підвищуються. Існуючі конструктив-ні та технологічні заходи зниження токсичності ВГ двигунів (в тому числі карбюраторних ДВЗ, автомобілів з якими близько 55 %), у повній мірі не забезпечують ефективного дотри-мання нормативів. У дисертації розроблено і запропоновано новий підхід у забезпеченні нормативних рівнів токсичності ВГ, який ба-зується на науково-обгрунтованих періодич-ностях виконання контрольно-регулювальних операцій щодо СЖЗ бензинових двигунів.

2. 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.%).

3. Лабораторними дослідженнями за міським їздовим циклом із зміною регулювальних па-раметрів 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 речо-вин, 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 зна-чення компресії у циліндрах із 0,96 до 0,78 Мпа.

4. Експлуатаційними випробуваннями автомобілів з карбюраторними двигунами встановлено, аналогічний до лабораторних, вплив параметрів СЖЗ та зношеності кілець і циліндрів на токсич-ність ВГ ДВЗ: пробіги для кожного з досліджуваних автомобілів, на яких токсичність ВГ коливалась від номінального значення (QCО=0,5 об. %) до обмеженого стандартом на холос-тому ходу (QCО=1,5 об. %), змінюються від максимального 4,43 тис. км до мінімаль-ного 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.

5. Досліджено і виявлено для двигунів ЗМЗ легкових автомобілів математичні залежності масового МСО і сумарного масового МСУМ викидів СО у ВГ автомобільних бензинових двигунів за міським їздовим циклом від об’ємного вмісту QCO його на холостому ходу: із збільшенням QCO до 5%, МСО і МСУМ 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 ток-сичності (за вмістом СО) ВГ від режиму роботи ДВЗ (частоти обертання колінчастого вала).

6. На підставі результатів лабораторних та дорожніх досліджень, розроблено математич-ну модель оптимізації періодичності за критерієм мінімуму сумарного ризику від підви-щення токсичності ВГ і затрат на виконання додаткових КРР у циклах ТО АТЗ з урахуван-ням імовірнісного характеру втрати нормативних регулювальних параметрів СЖЗ.

7. З використанням діагностичного засобу на основі l-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 термоане-мометричний 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.

8. 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.

9. 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