Пути повышения экологической безопасности использования транспортных энергоустановок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Клим, Марк Петрович

• Клим, Марк Петрович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Клим, Марк Петрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1 Глава. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ОПУБЛИКОВАННЫМ ИСТОЧНИКАМ

1.1 Формирование парка АТС. Выбросы вредных веществ

1.2 Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду

1.3 Динамическая модель системы "Автотранспортный комплекс окружающая среда ("АТКОСУ как основа для формирования парка энергетических установок (ЭУ)

1.4 Материалы по технической реализации программы создания экологически безопасного АТК

2 Глава. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

3.1 Идеи комплексно-целевого подхода

3.2 Структура парка АТС региона

3.3 Экологических показателей энергетических установок

3.4 Структуры технико-экономических показателей

3.5 Алгоритм формирования и оптимизации структуры парка АТК региона (общий подход)

4 Глава. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ КРИТЕРИЕВ ОПТИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ АТК НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ РЕГИОНА

4.1 Социально- экологический критерий безопасности

4.2 Финансовый критерий экологического ущерба

5 Глава. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ АТК НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ РЕГИОНА

5.1 Программный комплекс для проведения расчетов по оптимизации структуры парка АТК региона на основе социально- экологического критерия безопасности и критерия финансового ущерба

5.2 Алгоритм имитационного моделирования прогноза экологического воздействия АТК на окружающую среду (вычислительные процедуры)

5.3 Варианты модельных расчетов и результаты расчетов

5.4 Анализ перспективности использования различных типов двигателей на экологическую безопасность (по выбросу вредных веществ)

ВЫВОДЫ

Список использованных источников информации

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пути повышения экологической безопасности использования транспортных энергоустановок»

ВВЕДЕНИЕ

В Московском автомобильно-дорожном институте(техническом университете) на кафедре автотракторных двигателей под руководством члена-корр. РАН В.Н Луканина на протяжении многих лет проводится интенсивная работа по проблеме создания экологически чистого автотранспортного комплекса[1,2,3,4,5,6,7,9] . Для расширения исследований в этой области создана кафедра " Промышлен-но-транспортная экология которую возглавил ученик В.Н. Лука-нина- Ю.В. Трофименко.

Автор диссертации на протяжении многих лет работал в представленном коллективе и в данной работе, опираясь на коллективные результаты научных исследований , а также на свои поисковые разработки ( работы автора приведены в Списке использованных источников информации ) предлагает законченную концепцию и методику прогнозирования в одной из направлений- взаимодействии человека с автотранспортным средством как с социальным объектом , удовлетворяющем его жизненные функции и одновременно как с объектом, ухудшающим его качество жизни за счет вредного влияния его на окружающую среду.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

На основе существующих математических методов оптимизации [29] разработана модель, позволяющая производить регулирование уровня загрязнения городского воздуха, вызванного отработавшими газами энергетических установок автотранспортных средств. Разработан алгоритм и программа для реализации поставленной цели с учетом выполнения социальных функций автомобильного транспорта и ресурсных ограничений.

Актуальность темы определяется необходимостью исследования загрязнения атмосферы города в связи с ростом выброса вредных веществ от автотранспорта, обусловленного увеличением парка автомобилей и объема перевозок, а также необходимостью проведения экономически эффективных мероприятий, направленных на сни

жение уровня загрязнения городского воздуха. Несмотря на наличие разработок в этой области, задача снижения загазованности городских улиц до настоящего времени не решена в полной мере, особенно при совместном использовании такой разнородной информации как структура автотранспортного комплекса по типам автотранспортных средств и энергетических установок на них и эффект биологического воздействия отработавших газов на организм человека.

В диссертации поставлена и при сделанных допущениях решена задача оптимизации структуры АТС региона на прогнозный период с учетом программ внедрения экологически чистых энергетических установок. Выявлена комплексная природа поставленной задачи и показано, что только комплексный подход применим для получения адекватных результатов. Разработанный автором критерий экологической безопасности имеет самостоятельное значение и может быть использован в смежных областях, где решаются задачи взаимодействия человека с техногенными и природными системами.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на научных конференция как региональных так и международных. В их числе 2-ая Международная научно-техническая конференция «РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В АВТОТРАНСПОРТНОМ КОМПЛЕКСЕ» , проходившая в Москве с 4 по 6 февраля 1998 года.

Результаты работы имеют широкое практическое внедрение. В 1991 году автором была создана на Учебной Научной Базе (полигоне МАДИ(ТУ) ) научно-исследовательская лаборатория экологических проблем двигателей - НЛЭПД , действующая по настоящее время. Работа лаборатории велась в тесном сотрудничестве с предприятиями и научно-исследовательскими центрами автомобильной промышленности. В их числе: НАМИ (г. Москва), Ленинградский НИИ автомобильного транспорта, ЗИЛ (г. Москва), ЛиАЗ (г. Ликино) , с которым проводилась работа по программе "Экологически чистый автобус".

1 Глава. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ОПУБЛИКОВАННЫМ ИСТОЧНИКАМ

1.1 Формирование парка АТС. Выбросы вредных веществ

Автотранспортный комплекс (АТК) страны является одним из основных источников загрязнения атмосферы городов и воздушных бассейнов, расположенных вдоль автомобильных дорог и магистралей.

За последние 15 лет автомобильный парк в Москве увеличился в три раза и составляет на 1.01.1997 г. - 1,95 млн. авторанспортных средств (АТС). Потребляя 2,66 млн т. бензина, 0,99 млн. т. дизельного топлива , 40 тыс. т. сжиженного нефтяного газа, 3,5 млн. т природного газа (1995) автомобильный транспорт выбросил в атмосферу почти 1100 тыс. т Ж)х, около 100 тыс. т СхНу и 4,7 тыс. т сажи. На долю дизельных АТС, составляющих по численности 5% парка, приходится более 99% выбросов сажи и почти 37% выбросов 1Чох[5].

Выполненные оценки [9] показали, что вклад мототехники и легковых автомобилей в общее загрязнение воздуха нормируемыми компонентами выбросов автотранспорта составляет соответственно 0,5 и 4%. Доля вредных выбросов грузовых АТС и автобусов составляют соответственно 79,5 и 16%. Причем выбросы грузовых АТС ЗИЛ и ГАЗ составляют около 61% вредных выбросов всего автомобильного парка, хотя удельный вес их в общей численности только 9,5%. Значительный объем (до 27%) вредных выбросов автобусов приходится на дизельные автобусы Икарус, используемые преимущественно для городских перевозок. Доля их в автобусном парке — чуть более 10% [5].

Указанные объемы выбросов вредных веществ неравномерно распределяются в атмосфере и по территории страны, концентрируясь в основном вдоль крупных автомагистралей, на улично-дорожной сети городов и населенных пунктов.

Как следует из приведенных данных, несмотря на относительно небольшой (по сравнению с США) уровень автомобилизации, выбросы вредных веществ автотранспортом в нашей стране достигают значительных величин.

1.2 Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду

Всего в составе отработавших газов (ОГ) автомобильных ДВС содержится около 280 компонентов, которые по химическим свойствам, характеру воздействия на биосферу разделяются на нетоксичные (N2, 02, С02, Н 20, Н 2 ) и токсичные СО, Шх, СхНу,802, Н28, альдегиды, сажа и др.

В качестве примера в табл. 1.1 приведено среднее содержание токсических веществ в ОГ автомобильных двигателей [10].

Усредненный состав основных вредных компонентов в ОГ транспортных дизелей при работе на режиме полной нагрузки приведен в табл. 1.2 [11]

Токсичные компоненты ОГ могут непосредственно воздействовать на людей, находящихся в автомобиле, а также на население, животных, растительность, находящихся в непосредственной близости от проезжей части автомобильных дорог.

Воздействие каждого из вредных компонентов может привести к определенным негативным последствиям.

Моноксид углерода (СО) (время жизни в атмосфере от 2 до 42 месяцев) воздействует на нервную систему, вызывает обмороки, так как вступает в реакцию с гемоглобином крови, замещая кислород. В зависимости от концентрации СО в воздухе и времени воздействия степень поражения организма может существенно различаться (рис. 1.1). Когда вдыхание окиси углерода прекращается, СО, связанное гемоглобином, постепенно выделяется, и кровь здорового человека очищается от нее на 50% каждые 3-4 ч [5].

Среднее содержание основных вредных веществ в отработавших газах автомобильных двигателей.

Таблица 1.1

Дизели Бензиновые

Вредные % по % % по %

компоненты массе по токсичности массе по токсич-

(*) ности

со2, 98,6 10,2 96,6 5,8

СО 0,4 9,6 2,6 38,7

СН 0,2 од 0,4 од

N0, 0,4 21,1 12,1

802 0,3 42,2 0,02 1,7

Твёрдые 0,1 16,0 0,008 0,2

частицы

Альдегиды 0,005 0,8 0,002 0,2

(ЯСНО)

Свинец - - 0,003 41,2

(*) в пересчете на СО

Состав вредных компонентов отработавших газов дизелей

Таблица 1.2

Вредные компоненты Концентрация, Удельное выделение,

г/м3 г/(кВт-ч)

СО 0,25-2,5 1,5-12,0

БОг 0,1-0,7 0,4-2,5

Акролеин 0.01-0,04 0,06-0,2

Углеводороды 0,25-2,0 1,5-8,0

Бснз(а)-пирен От 0,2 • 10 ~6 От 1* 10 6

До 0,5 • 10 "6 До 2* 10 "6

Сумма Ж)х, 2-8 10-30

в том числе

N02 0,1-0,8 0,5-2,0

ЫОх 1,2-4,5 6-18

Сажа С 0,05-0,5 0,25-2,0

СО

0,002

0,001

0,01

0,02

0,1

1 2

10 20 100 тг.ч

Рис. 1.1 . Действие СО на организм человека [12] 1 — смертельная опасность; 2 — головная боль, тошнота, 3 — начало токсичного действия; 4 — заметное действие

Воздействие СО на центральную нервную систему проявляется в изменении цветовой и световой чувствительности глаз — возрастает вероятность аварий. Предельная допустимая концентрация (ПДК) этого вещества у нас в стране составляет 3 мг/м (Максимальная разовая), в США — 10 мг/м3 за 8 ч воздействия.

В воздухе над автомагистралями и прилегающих застройках из окислов азота встречаются в основном МОх. При этом N0 является неустойчивым компонентом, который в течение от 0,5—3 до 100 часов окисляется в N02 Да организм человека N02 воздействует как

о

острый раздражитель при концентрации порядка 15 мг/м и может вызвать отек легких при концентрации 200 — 300 мг/м3 .Реагируя с атмосферной влагой, окислы азота образуют азотную кислоту, вызывающую коррозию металлов, уничтожение растительности и т. д.

Наибольшую опасность окислы азота представляют как активный компонент при образовании фотохимического смога. Поэтому максимальная разовая ПДК окислов азота в атмосфере городов 0,085

7

мг/м .

Токсичность газообразных низкомолекулярных углеводородов проявляется в наркотическом действии на организм человека, вызывая состояние эйфории, что увеличивает вероятность дорожно-транспортных происшествий. Токсичность возрастает при наличии в воздухе других загрязнений, которые в совокупности под действием солнечной радиации образуют фотохимические оксиданты смога. Полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в выбросах автомобильных двигателей, являются канцерогенными, из которых большой активностью обладает 3,4-бензпирен, содержащийся в ОГ дизелей.

Сажа, характерная для выхлопа дизелей, обладает большей токсичностью, чем обычная пыль. На поверхности сажевых частиц адсорбируются канцерогенные вещества, содержащиеся в отработавших газах. Видимым автомобильный выхлоп становится при концентрации сажи 130 мг/м .

Размеры частиц сажи составляют 0,19 — 0,54 мкм в диаметре и могут достигать альвеол легких или откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах. Причем отложения происходят преимущественно вдоль бронхо-легочного дерева в зависимости от размеров частиц: более 5 мкм-носоглотка; 3,5—5 мкм — трахеи; 2—3,5 мкм — первичные бронхи; 1 — 2 мкм — вторичные бронхи; менее 1 мкм — бронхиальные окончания, альвеолы [13].

В отработавших газах дизелей содержатся и окислы серы, превращающиеся в атмосфере в кислоту. При малых концентрациях окислы серы вызывают раздражение дыхательных путей, при большой концентрации происходит отравление людей за несколько минут.

Наличие в атмосфере сернистых газов препятствует фотосинтезу растений, неблагоприятно воздействует на дыхательные пути чело-

л

века. При концентрации 802 в воздухе более 0,9 мг/м происходит изменение процессов фотосинтеза растений; через 5 — 10 дней хвоя сосны, ели начинает рыжеть и преждевременно опадает (8). Установлено, что смесь 802 и СО при длительном воздействии вызывает нарушения генетической функции организма [14].

Контакт с соединениями свинца приводит к головной боли, утомляемости, нарушению сна, нарушению ферментативной активности белков живых организмов. Свинец накаливается в организме (обладает кумулятивным действием) и может вызывать тяжелые расстройства нервной и нарушения работы кровеносной системы.

Отмеченные вредные компоненты по степени токсичности различны и характеризуются следующими соотношениями [15]:

СО:СхНу : Н28 : Шх : С : ЯСНО : РЬ : С20Н12 = 1 : 1,26 (3,16) : 16,5 : 41,1 : 41,1 : 41,5 : 22400 : 1260000 .

Действие некоторых токсичных веществ на человека приведено в табл. 1.3 [5]. Городские жители в течение длительного времени находятся вблизи источников выброса вредных веществ и подвергаются их воздействию, что может вызвать отмеченные выше негативные последствия.

В аналогичных условиях находится и растительность, почва в зонах непосредственно примыкающих к полотну автомобильных дорог. Концентрация вредных веществ по мере удаления от кромки дороги снижается, что можно видеть из графиков, приведенных на рис. 1.2 [5].

Таблица 1.3

Влияние концентрации вредных веществ на здоровье человека

Последствия и продолжительность воздействия Л Содержание в воздухе мг/м

СО 80 2 Ж)х

Несколько часов без заметного действия 115 68 18

Признаки легкого отравления через 2-3 часа 115-575 130 20

Опасно для жизни при кратковременном воздействии 5700 1600 150

Возможно серьезное отравление через 30 мин 23003500 210-400 100

Крй,мг/т почбы

90 60

Чй

го

10 20 30 40 30 60

1,м

Рис. 1.2. Содержание СВИНЦА в почвенном слое на определенном удалении от бровки земляного полотна: 1,2,3 — дороги соответствующих категорий

Однако, если на пути от дороги к застройке находятся экраны, зеленые насаждения, другие преграды, то изменение концентраций вредных веществ подчиняется другим более сложным закономерностям.

Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах автомобильных двигателей, могут сохраняться в атмосфере в течении длительного времени и переносится на значительные расстояния. Кроме того, первичные загрязнители в атмосфере при соответствующих условиях могут взаимодействовать друг с другом, образуя новые токсичные вещества: сульфаты, нитраты, озон, кислоты, фотоксиданты и т. д. [16]). Атмосферный воздух следует рассматривать как вторичный реактор дообразования вредных веществ, токсичность которых в некоторых случаях значительно превышает токсичность первичных компонентов. Так, при переходе N0 в N02 в атмосферном воздухе масса вредного вещества возрастает в 1,5 раза, а токсическое действие — в 7 раз [17].

Оксиды серы и азота, находясь в атмосферном воздухе до 2— 8 суток и перемещаясь с потоками воздуха на расстояние до 1000 км могут превращаться в кислоты.

Замеряемые концентрации тех или иных компонентов в атмосферном воздухе городов особенно в районах магистралей характеризуют суммарное действие фона и автомобильных выбросов. При этом определить достоверно загрязнение воздуха от автомобиля конкретным токсичным компонентом, а также экологические последствия воздействия только автомобильных выбросов в большинстве случаев невозможно. По результатам замеров установлено, что средний уровень содержания моноксида углерода, выбрасываемого автомобильным ДВС в жилой зоне г. Москвы, в среднем в 1,2 раза, а в промышленных зонах в 1,5 раза превышает норму. Причем на основных автомагистралях уровень загрязнения воздуха значительно выше. В отдельные дни в районе Садового кольца концентрации моноксида углерода и оксидов азота в 10 раз и более превышают установленные нормы. В результате заболеваемости населения в этом районе резко возрастает (детей в 3-5 раз) по сравнению с уровнем заболеваемости в других районах.

Выбросы вредных веществ с отработавшими газами являются не единственным фактором негативного воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду. Следует также рассматривать выбросы токсичных газообразных, жидких и твердых веществ, шум, тепловое и электромагнитное излучения в процессе эксплуатации и обслуживания автомобильных двигателей. Указанные воздействия могут вызвать как обратимые, так и необратимые изменения в окружающей среде. По оценкам специалистов, только двухкратное превышение ПДК может привести к росту заболеваемости среди населения на 20%.В качестве первоочередных мероприятий при создании экологически чистого АТК является разработка и введение экологического законодательства с жесткими экологическими нормативами, системой их контроля на разных стадиях жизненного цикла АТС (ЭУ), действенными мерами административной и правовой ответственности за их соблюдением, а также механизмом экономического регулирования природоохранной деятельности в АТК и создания парков экологически чистых АТС первоначально в отдельных регионах, а затем и повсеметно [5].

В отечественной, да и зарубежной практике требования экологической чистоты автомобильной энергоустановки не рассматривались в качестве основных. Хотя, как отмечалось, специалисты фирмы VW (ФРГ) ожидают, что автомобили начала 21 века должны разрабатываться прежде всего исходя из удовлетворения экологических требований [18]. Эти же требования являются основными к конструкции перспективных АТС, разрабатываемых в соответствии с соглашением между правительством США и фирмами Ford, GM, Chraysler, принятом в 1993 г. [21].

Отмеченные выше требования к автотранспортной технике реализуется в природно-технической экосистеме АТКОС. Остановимся подробнее на рассмотрении особенностей одного из возможных путей реализации приведенных выше теоретических положений взаимодействия автомобильной энергоустановки с окружающей средой в виде динамической модели развития автотранспортного комплекса отдельного региона или государства.

1.3 Динамическая модель системы "Автотранспортный комплекс окружающая среда (АТКОС)" как основа для формирования парка энергетических установок ОУ)

Автотранспортный комплекс во многом определяет уровень .эффективности экономики, качества жизни населения и характеризуется высокой степенью концентрации транспортных средств, путей сообщения на ограниченных территориях, оказывая на них значительные негативные воздействия [19,20,22].

Принято, что система АТКОС состоит из природной среды обитания человека (элементы атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы) и искусственно созданных транспортных средств и путей сообщения.

Основной целью развития системы является достижение гармонизации взаимодействия основных ее составляющих — автотранспорта и окружающей среды на основании управляющих воздействий со стороны человека или общества.

С использованием системного подхода выделены негативные и позитивные проявления взаимодействия АТК с окружающей средой, что отражено в таблице 1.4, которые позволяют четче обозначить функции взаимосвязи, граничные условия и другие характерные признаки системы АТКОС. Рассматриваются 11 позитивных и 12 негативных проявлений такого взаимодействия, с помощью которых возможно идентифицировать источники социально-экономических и морально-психологических требований общества, отдельного индивида к конструкции АТС, энергоустановки на основании принятой парадигмы — приоритета требований экологической чистоты в совокупности требований к конструкции.

Проявление взаимодействия автомобиля с окружающей средой

Таблица 1.4

ПОЗИТИВНЫЕ

Развитие торговли, политических, культурных связей, расширение контактов между людьми Стимулирование научно-

технического прогресса, предоставление рабочих мест включение транспорта в производственные процессы и сокращение инновационных циклов при производстве товаров возможность безопасной перевозки грузов и пассажиров в заданное место и в требуемые сроки Ощущение свободы и независимости индивида

Расширение возможностей для проживания в благоприятных для восстановления работоспособности условиях

Расширение жизненного пространства для отдельного индивида

Повышение уровня образования и медицинского обслуживания индивида

Повышение доступности исполнителей социально-бытовых услуг потребителями (магазины, парки, театры, стадионы) Ощущение радости от быстрой езды, комфорта и удобства в неблагоприятных погодных условиях

НЕГАТИВНЫЕ

Нарушение газового и энергетического равновесия в атмосфере Истощение ресурсов атмосферы ,полезных ископаемых, питьевой воды

Уничтожение живых организмов в ДТП, в том числе гибель, травмирование людей

Отравление биологических ресурсов в том числе растений, животных, человека

Усиление стрессовых нагрузок участников движения, дополнительная нагрузка на здравоохранение Уменьшение жизненного пространства за счет отчуждения площадей городских территории для автотранспорта

Вывод из пользования сельхозугодий и сокращение биологической продуктивности ландшафта Нарушение гармонии городских застроек и сельских ландшафтов Рост налогов и затрат, связанных с функционированием автотранспорта.

Изменение структуры семейного бюджета и свободного времени Изменение привычек (сокращение времени общения, рост самомнения) Изменение пешеходных маршрутов людей из-за помех, создаваемых стоящими или движущимися АТС

Динамическая модель системы состоит из отдельных элементов (методик), расчет по которым можно вести независимо друг от друга, но в то же время они связаны между собой определенными функциями взаимодействия [19,22].

Основным фактором развития системы принято в данном случае движение и распределение финансовых ресурсов в соответствующих элементах, поступающих из разнь1х источников. Возможны и другие представления развития системы АТКОС, в частности основанные на моделировании деградационных энергетических и экологических процессов. Однако эти подходы находятся в стадии проработки и в данной работе не рассматриваются.

Распределение денежных средств в элементах системы в соответствии с принятой стратегией осуществляется с использованием элементов технологии искусственного интеллекта [5]. Введение решающих функций (РФ) позволяет формализовать процесс принятия решений по распределению финансовых ресурсов в системе, обеспечивая ее экологически ориентированное развитие.

Динамическая модель системы АТКОС, схема которой приведена на Рис 1.3 , состоит из двух блоков А и В и предусматривает оценку потребности и перевозках автотранспортом и удовлетворения этих потребностей на дорожной сети парком подвижного состава с соответствующей инфраструктурой, а также уровней основных из отмеченных выше позитивных и негативных проявлений взаимодействия автотранспортного средства (энергоустановки) с окружающей средой.

-и ^

Индес-

тицш

п

м

о д

г1

\

Модель экононимес -кого разбития

внп

Нац. доход

демографический прогноз

м и

Р о в о г о

Р а з б а т и я

|в

Ассигнования

Международные

перевозки. | \накопления\

I

Модель разбития транспорта

__

Объем передом к^Распр. по видам тр-га

Накопления]

тем

Произдодстбо пхшибы масел

АТС «Д-

ПроизМстбе

АТС

Ж

¡Накопления

Модель развития парка АТС

Численность парка АТС

Г

Прскпяженносп дорожной сети

ЛИ

ОС

мл

и

ф 0 {накоплена* | {накопления |

Модель экологической нагрузки на ОС и энергопотребление б ЛТК

Выброс» толси- СОг

чес кил тп.

дещсстблоты

шум вибрации

ЛТП

ПяпреФ-лениж ресурсов

__I

Рис. 1.3 Блок-схема динамической системы "Автотранспортный комплекс - окружающая среда"

В блоке А — методика прогнозирования социально-экономического развития страны (региона), схема построения которой заимствована из работы [5], Она состоит из двух частей: прогнозирования развития экономики и демографических изменений в государстве или регионе, т. е. численности и возрастной структуры населения.

Блок В, состоит из трех методик: 1 — оценки потребных объемов перевозок транспортом в целом и отдельными его видами, в том числе автотранспортом, 2 — прогнозирования численности и возрастной структуры парка автотранспортных средств (энергоустановок) и протяженности дорожной сети; 3 оценки уровня экологической нагрузки автотранспортного комплекса на окружающую среду.

Методика оценки уровня экологической нагрузки содержит установленные зависимости по времени для топливной экономичности, уровня выбросов вредных веществ, виброакустического излучения основных типов АТС и влияния этих факторов на изменения в окружающей среде конкретных территорий путем моделирования движения одиночных АТС, транспортных потоков и функционирования парков в регионах, распространения вредных веществ и шума от АТС в ландшафтах биосферы. Она как бы замыкает динамическую модель природно-технической экосистемы АТКОС, ориентируя ее на достижение поставленной цели — стабильное развитие в пределах заданного экологического допуска (гармонизации взаимодействия с окружающей средой).

Реализация динамической модели в виде программно-методического комплекса для ПЭВМ на изложенных принципах позволит решить достаточно широкий круг проблем, в том числе научно обосновать требования к структуре и численности регионального парка АТС с ориентацией развития автотранспортного комплекса на гармоничное взаимодействие с окружающей средой.

Научные работы в русле описанных проблем идут и в других научных учреждениях России. В качестве примера можно привести близкую по тематике работу выполненную в Российском государственном гидрометеорологическом институте [25 ]. В этой работе её авторами заявлены следующие цели и результаты

На основе существующих математических методов оптимизации разработать модель, позволявшую производить регулирование уровня загрязнения городского воздуха, вызванного автотранспортом. Разработать алгоритм и программу для реализации поставленной цели с учетом эффективности проводимых мероприятий, направленных на снижение загрязнения городского воздуха.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

Произведен анализ условий возникновения риска для здоровья населения города, обусловленного загрязнением воздуха выбросами от автомобильного транспорта.

2) Предложено использовать методы статистического моделирования применительно к задаче выбора маршрутов движения автомашин в пределах города.

3) Задача выбора маршрутов решена о помощью разработанного алгоритма и подпрограммы.

4) Методами динамического программирования произведена оптимизация полученных маршрутов с целью моделирования движения автомашин, близкого к действительному. Для этого разработан алгоритм и блок программы, отвечающие за реализацию этой части модели.

5) На основе оптимизации маршрутов получена относительная и абсолютная интенсивность движении автотранспорта в модели. Расчет этих характеристик произведен по составленному алгоритму и программе.

6) Проанализированы существующие модели расчета и прогноза загрязнения от линейных источников наземного типа. Построен алгоритм и программа для расчета полей загрязнения городского воздуха

Материальной основой для повышения экологической безопасности АТК является применение современных технологических решений и организационных мероприятий, примеры которых приведены в следующей главе.

1.4 Материалы по технической реализации программы создания экологически безопасного АТК

Широкий спектр экологических мероприятий по снижению вредного влияния автотранспорта на экологическую обстановку в гор Москве можно найти в соответствующем постановлении правительства Москвы №342 от 16 апреля 1996 года. Приведем здесь некоторые мероприятия из названного плана. Стоимостные показатели скорректированы с учетом масштаба цен по состоянию на 01.01.1998 года. Эти данные были использованы при корректировке параметров разрабатываемой модели обеспечения экологической безопасности автотранспортного комплекса.

В документах раздела 1.4 сохранена структура оригиналов документов. В частности, несколько значений в одной графе означает, что соответствующие задания даются нескольким ведомствам. (В диссертации эти сведения опущены).

Для практической работы по созданию экологически безопасного двигателя автомобиля необходимо иметь обширный банк перспективных технологий для возможности составления на их основе научно-обоснованного прогнозирования работ по созданию экологически чистого автомобиля. В таблице 1.5 приведены результаты поиска конкретных программ по сети ИНТЕРНЕТ. Более подробные данные приведены в Приложении 1.

ПЕРВООЧЕРЕДНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ повышения экологической безопасности автотранспортного комплекса гор. Москвы

Наименование мероприятия Объем внедрения Затраты в тыс. руб. Затраты на ед. АТС Тыс. руб. Экологический эффект (снижение вредных выбросов на единицу АТС)

1 Производство и реализация в городе высокооктанового бензина с кислородосодержащей добавкой МТБЭ 500 тыс. тонн в год 1900 10- 15%

2 Организация производства и реализации моторного топлива улучшенными экологическими показателями : -бензина с моющими присадками -бензина из газоконденсатного сырья -дизельного топлива с антидымными присадками 210 тыс. тонн в год 3000 17%

3 Переоборудование автотранспорта для работы на КПГ автобусов и грузовых автомобилей 120 шт 150 шт 1850 600 15,416 4 80-85%

4 Переоборудование грузовых автомобилей для работы на сжиженном нефтяном газе (СНГ) 600 ед 2400 4 80-85%

5 Внедрение нейтрализаторов отработавших газов на городских автобусах и муниципальном транспорте 100 300 200 500 2 1,66 70-80%

6 Оснащение городских дизельных автобусов фильтрами - нейтрализаторами 50 350 400 2600 8 7,42 70-80%

7 Внедрение на автобусах , грузовых и легковых автомобилях бесконтактной системы зажигания (БСЗ) высокой энергии 5500 10000 5500 10000 1 1 25-30%

8 Оснащение городских автобусов системами турбонаддува 100 300 2000 4600 20 15,33

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ повышения экологической безопасности автотранспортного комплекса гор. Москвы

Мероприятия Затраты тыс руб

1 Нормативно-правовое и организационное обеспечение 850

2 Повышение экологических характеристик традиционного моторного топлива 25000

3 Применение альтернативного топлива и источников энергии Перевод городского пассажирского транспорта , муниципального городского транспорта на компримированный природный газ - моторное топливо

З.а Переоборудование автотранспортных средств для работы на КПГ - 4500 ед. , включая оргмероприятия. 15000 3000 4000 350

З.б Реконструкция материально - технической базы автобусных парков и и автотранспортных мероприятий. 46000 4000 36000

4 Применение технических средств снижения токсичности отработавших газов

4.1 Внедрение нейтрализаторов отработавших газов на городских автобусах и муниципальном городском транспорте (20000 ед) 80000

4.2 Оснащение городских дизельных автобусов фильтрами - нейтрализаторами (1000 ед) 6000

4.3 Внедрение на автобусах , грузовых и легковых автомобилях бесконтактной системы зажигания (БСЗ) высокой энергии (35000 ед) 35000

4.4 Оснащение городских автобусов системами турбонаддува (500 ед) 10000

4.5 Разработка и внедрение преобразователя части бензина для работы карбюраторных двигателей 1500

4.6 Создание газовой модификации двигателей ЗИЛ, КАМАЗ и ГАЗ с системой нейтрализации отработавших газов 2000

4.7 Организация массового производства и внедрение технических систем снижения токсичности на автомобилях ведомственного и частного секторов 20000

4.8 Организация производства и внедрение городских малотоннажных грузовых автомобилей с системой нейтрализации отработавших газов 5000

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Клим, Марк Петрович

ВЫВОДЫ

1. Обосновано положение о том, что корректное решение задачи улучшения экологической чистоты энергетических установок (двигателей) автотранспортных средств (АТС) , эксплуатируемых в условиях густонаселенного региона (город), может быть получено на основе многомерной модели, которая включает: социальные функции автотранспортного комплекса (АТК), техническое оснащение АТС двигателями с заданными экологическими параметрами, биологическое влияние на человека и ресурсное обеспечение экологических программ.

2. Разработано описание системы автотранспортного комплекса региона во взаимодействии энергетических установок транспортных средств с окружающей средой посредством воздействия на неё отработавших газов транспортных энергоустановок.

3. Предложены два критерия оптимальности развития автотранспортного комплекса региона при действии неблагоприятных факторов - отработавших газов энергетических установок:

- социально-экологический критерий безопасности жизнедеятельности человека, определяющий уровень транспортного обслуживания и безопасность жизни человека;

- критерий финансового ущерба, определяющий минимум стоимостного ущерба здоровью населения региона .

Показано, что предложенные критерии чувствительны к исследуемому параметру (выбросу вредных веществ) и правильно отражают физическую природу исследуемого явления.

4. Предложена методика количественной оценки рассматриваемых критериев. Выявлена необходимость медико-социологических исследований для выработки нормативных параметров социального и экологического воздействия автотранспорта на проживание человека. В работе даны ориентировочные исходные данные для описания всех структур, пригодные для экспертных модельных расчетов.'Показана удовлетворительная корреляция полученных результатов с экспертными оценками.

5.Составлены алгоритм и программа расчетов по модернизации парка АТС с улучшенными экологическими характеристиками двигателей. Показано, что поиск оптимальной стратегии развития АТК при всех заданных ресурсных и социальных ограничениях может успешно проводиться с использованием разработанной методики. Задача планирования развития АТК региона сформулирована и реализована как задача линейного оптимального программирования, максимизирующая величину значения критерия экологической безопасности при заданных ограничениях на ресурсы, которые необходимы для модернизации парка АТС региона. Даны несколько возможных сценариев развития АТК на период до 2013 года.

6. Разработанная и опробованная модель прогнозирования развития экологической ситуации при том или ином сценарии развития АТК может использоваться в процессе принятия решений по совершенствованию АТК региона при ограниченных ресурсах, обеспечивая необходимый уровень экологической безопасности.

7. Проведенные расчеты показали, что при прогнозируемом росте численности АТС и возможности их модернизации следует ожидать ухудшение экологической ситуации. Поэтому необходима скорейшая реализация экологических программ.

8. Доказана возможность формирования оптимальной структуры парка АТС, обеспечивающей экологическую безопасность по выбросу вредных веществ, при условии достаточного уровня финансирования экологических мероприятий. По предварительным данным стоимость экологических мероприятий составляет порядка 10% от суммарной стоимости подвижных средств АТС в парке.

9. Проведен анализ экологической перспективности использования различных типов двигателей (по выбросу вредных веществ.) Модельные расчеты показали, что наиболее перспективны для улучшения экологической безопасности газовые двигатели на природном газе, конвертируемые из дизелей. Внедрение этой группы двигателей в объеме 17,7% от общего состава парка АТС гор. Москвы позволит улучшить экологические показатели от исходного существующего уровня более чем на 10% при прогнозируемом общем росте численности парка АТК до 2013 года на 37,5%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Клим, Марк Петрович, 1998 год

Список использованных источников информации

1 Луканин В. Н. Возможен ли экологически чистый автотранс-

порт. // Вестник АН СССР .— 1989 .—№12.—с. 60-64.

2 Разработка усовершенствованной методики обоснования диапазонов значений технических показателей экологически чистых АТС: Отчет НИР. Тема Э 423590/1042-57

.—М/МАДИ, 1990 .— 195 с.

3 Трофименко Ю. В. Обоснование типа силовой установки перспективных автотранспортных средств // Двигателестроение .— 1988 .-№9.- С. 40-44.

4 Трофименко Ю.В. Уменьшение энергопотребления легковых автомобилей

Автомобильная промышленность .— 1988 .— № 9 .— С. 12-13.

5 Луканин В.Н. , Трофименко Ю.В. "Экологическое воздействие автомобилей на окружающую среду"// Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Серия автомобильный и городской транспорт .(Москва), 1993 .- т. 17.-126 с.

6 "Экологически чистая автомобильная энергоустановка: понятие и количественная оценка ".Под редакцией чл-корр. РАН В.Н. Луканина // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Серия автомобильный и городской транспорт..-(Москва),1994 т. 18.-139 с.

7 "Снижение экологических нагрузок на окружающую среду при • работе автомобильного транспорта". Под редакцией чл-корр. РАН В.Н. Луканина // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Серия автомобильный и городской транспорт .-(Москва), 1996 .- т. 19.-338 с.

8 Концепция развития развития автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения в XIII пятилетке (1редакция) М.: Транспорт, 1990 75 с

9 Технико-экономическое обоснование свойств экологически чистых автотранспортных средств: Отчет НИР. Госрегистрация № 01890050998/ МАДИ., 1989 — 144 с.

10 Benz Т. Mikroskcopische simulation Energie-Verbrauch und Abgasemission im Strabenverkehr // Schriftenreihe des If Verkehrswesen UNI Karlsruhe .-1985 .-h.32 .-115 s

11 Смайлис В. И. Современное состояние и новые проблемы экологии дизелестроения// Двигателестроение 1991 .-№1 .-С. 36

12 Жегалин О. И., Лупачев П. Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей .-М.: Транспорт, 1985 .-120 с.

13 Clouronlinkov I., Michiele F. M. Effects biologiques des emissions Diesel: impact sur la santé //Pollution atmos .- 1989 .-31, №121 .- S. 18-23.

14 Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справочное издание в 2-х частях.

Ч. 1.Под редакцией Калверта С., Инглунда Г.М..- Пер. с англ..— М.: Металлургия, 1988 .— 760 с.

15 Сборник законодательных нормативных и методических документов для экспертизы воз духоохранных мероприятий,.— Л.: Гидрометеоиздат, 1980 .— 320 с.

16 Сайдаминов С. С. Основы охраны окружающей среды .— Ташкент: Укитувчи, 1989 .— 303 с.

17 Сигал И. Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива .— Л.: Недра, 1988 .— 312 с.

18 Risse Н. J. Rollviderstand und Kraftstofferbrauch. // Automomobiltechnische Zeitschrift .—1986.—№ 6.—S. 383-388.

19 Дьяков А.Б. Игнатьев Ю.В. Коншин Е.П. Экологическая безопасность транспортных потоков .— М.: Транспорт, 1989 .— 128 с.

20 Камчацкий Б.В. Оценка вредных выбросов от автомобильного транспорта.// Организация природоохранной деятельности на автомобильном транспорте .— М.: НИИАТ, 1990 .— С. 70-73.

21 Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей .-М.: Машиностроение , 1983 .- 372 с.

22 Газобалонные автомобили / Григорьев Е. Г., Колубаев Б. Д., Ерохов В.И. и др .-М.: Машиностроение , 1989 .-216 с.

23 Ефремов A.B. Теоретические основы экономико-математических методов синтеза систем управления автомобильным транспортом .- М.,МАДИ ,1981-112с

24 Ефремов A.B. Применение исккуственного интеллекта при решении инженерных задач .В сб. Проблемы инженерного образования на пороге 21 века

.- М., МАДИ, 1998 - с. 26-29

25 Нуман H.J1. Исследование и разработка методов регулирования загрязнения городского воздуха, вызванного автомобильным транспортом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук . Санкт-Перербург,.- 1996.

Опубликованные работы автора по теме диссертации Клим М.П. "Из опыта промышленно-развитых стран в области законодательства экологии транспорта".// Научная конференция по проблемам экологии. Тезисы докладов и сообщений . М.,МАДИ , 1995 .- С 54-55. Клим М.П. "Экологическое образование как неотъемлемая часть подготовки современных инженеров"// Инженерная этика в России и США: История и социально-политический контекст. Тезисы выступлений. Ч. 2, АМИ, 1997 .-С. 151-152.

Клим М.П. "Методы оценки и пути снижения негативного воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду"// 2-я Международная научно-техническая конференция «Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе». Тезисы докладов .-С. 60-61.