Текст книги "Токсичность автомобиля"

(об авторских исследованиях)

и динамических свойств-оценка токсичности автомобиля, и анализ последнего показателя относительно ПДК, оптимизация режимов работы двигателей на базе этого.

Разгон автомобиля представляет из себя наиболее сложную для иммитационного моделирования задачу с точки зрения точности и достоверности его результатов. Поэтому остальные фазы цикла или маршрута движения можно определить и несколько проще, например, по показателю количества вредного вещества в единице веса топлива Таким образом, используя различный матемагические методы, включая простые аналитические и сложные численные модели, создан комплекс программ и методик для определения или оценки токсичности отработавших газов автомобилей или других транспортных средств с тепловыми двигателями. Важно отметить так же, что в расчетах любого ранга можно оперировать данными по весовому количеству токсичного компонента относительно массы углеводородного топлива. Например, для различных типов двигателей выделение вредных веществ, по данным различных многочисленных ученых, -при сжигании углеводородного топлива в количестве 1 т составляет; для карбюраторного двигателя – 33,2—34 кг углеводородов, 267—270 кг окиси углерода,26,6—28,О кг окислов азота, 0,8—1,34 кг сажи; а для дизеля;9—11 кг углеводородов, 28,4—35кг окиси углерода,40,8—51 кг окислов азота,3,4—5 кг сажи и т. п. Данные для других компонентов так же могут быть подобраны в необходимых числовых значениях: например, даже для канцерогенных ПАУ и НИТРООПАУ. Поэтому можно в целом создать достаточно целостную оценочную картину токсичности автомобиля с использованием даже простых по содержанию данных.

Таким образом, на базе данных методик можно создать достаточно четкую картину в этом вопросе и выработать ряд рекомендаций по улучшению токсичности автомобилей непосредственно для каждой конкретной марки и модели в целом. Используя разработанные для этого програмные средства значительно увеличивается эффективность анализа и расчетов. Проведенные исследования показывают, что в отличие от обычных методов метод конечных элементов и его модификации позволяет существенно упростить решение данной задачи, а данные конечно-элементные модели – решить проблему сходимости и точности. Использование сложных численных моделей позволяет решать и задачи токсичности автомобиля; причем с удовлетворительными по точности результатами.

Таким образом, можно сделать некоторый вывод между различными подходами в математической интерпретации физических моделей движения транспорта. Основной из них заключается в том, что можно применять такой сложный метод, как метод конечных элементов даже для определения токсичности транспортных средств, вопросы точности решения во многом определяются разработанными конечно-элементными моделями с позиции их повышения. Необходимо отметить, что эти вопросы связаны также с другими проблемами; в том числе в программном аспекте, -все програмные средства достаточно хорошо отлажены и зарекомендовали себя.

С этих позиций предложенный и разработанный метод конечных элементов и форма его решения является наиболее совершенным и точным из известных.

4.5.2.Различные математические модели

для расчетов.

На баэе данных разработанных математических методик и моделей можно проводить расчеты не только для автомобилей с тепловыми двигателями внутреннего сгорания, но и для других разнообразных типов движителей и приводов. На рис. 4.21—4.24 показаны некоторые варианты расчетов для электропривода, а так же, биомеханической модели движения с мускульным приводом.

Все традиционные и нетрадиционные типы приводов можно объединить в несколько групп, что позволяет использовать конкретно данные математические модели и соответствующие програмные средства и обьясняет их универсальность.

К основной группе относится стандартный тип привода с тепловыми двигателями внутреннего сгорания любого типа: бензиновый, дизельный, газотурбинный, работающий на газе или спиртах, комбинированннх топливах и пр. Факторные силы сопротивления движению, так же как и в большинстве других случаев особой роли не играют: их классификация приведена на рис.2.5.Ко второй группе можно отнести средства транспорта с электропри-водом; где особую роль играет характеристика двигателя, отличающаяся своей формой, что требует использования уравнения движения несколько иного типа, которое здесь также приведено.

К третьей группе можно отнести «биомеханическую модель» привода, в которой для движения используется непосредственно мускульный привод человека: например, велосипедист, веломобиль, лодка с педальным приводом и т,п.Здесь привод является педальным, поэтому обладает нестабильными характеристиками передаваемого крутящего момента и частоты вращения, т.е. педалирования. В виду данных причин можно использовать некоторые приближенные математические модели, например, случай линеаризации с относительно высокими погрешностями при расчетах по сравнению с другими случаями. Интересно то, что такие сложные и серьезнее математические методики, разработанные здесь, для подобных случаев вообще никогда не применялись и в литературе не известны. К четвертой группе можно отнести также «биомеханические модели» более сложного плана. Самые простые и решаемые из них путем использования данных разработанных моделей в перспективе – это модели бега: т.е. для спортсменов-бегунов, футболистов, хоккеистов, лыжников, бегунов на коньках и т. п. Однако данные простые модели можно апроксимировать конечно-элементными приближениями как это показано на рис.4.24, а более сложные задачи бега, как указанные последние – т.е. движение лыжника по дистанции, или бег на коньках на треке должны иметь тем не менее в своей основе более сложные уравнения движения типа уравнения Лагранжа.

Поэтому указанные различные математические модели можно решать на базе данного разработанного метода конечных элементов, которые в большинстве случаев его применения обладает новизной и большой перспективой для задач класса движения, универсален и обеспечивает высокую точность даже для совершенно нетрадиционных вариационных задач движения.

Таким образом, удается решать комплекс проблем для анализа основных характеристик движения.

 
5.МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА И ЕГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ
ИССЛЕДОВАНИЯХ
 

5.1. Виды математических задач при

планировании эксперимента.

Разработанный комплекс математических методов для определения основных эксплуатационных свойств автомобиля, включая и новую область – токсичность, т.е. моделирование выбросов вредных веществ c отработавшими газами, можно применить и для анализа и непосредственного контроля в процессе исследований и испытаний. Причем совершенство данных разработанных методов заключается в том, что они представляют cобой наиболее удачный синтез теоретических и эксперименталъных методов исследования, т.е. позволяют производить адекватные, точные оценки как при анализе в процессе проектирования, так и при испытаниях.

В данном случае можно говорить о наиболее полном многофакторном эксперименте, базирующемся на разработанной совершенной математической теории тягово-скоростных свойств, топливной экономичности и токсичности автомобиля или наземного транспортного средства, и наиболее точном, прогрессивном и новом в этой области методе конечных элементов для задач класса движения, Все это и представляет собой наиболее высокий уровень планирования математического эксперимента. Поэтому обьединение задач математического эксперимента и проблем исследования и испытаний автомобилей – сложная, но решаемая на базе данного подхода проблема.

В данном случае удается решать задачу с максимально высокой точностью, т.е. сблизить результаты непосредственных расчетов и испытаний, как для конкретных решений, так и для прогнозируемых, Этого не удается достигнуть ни одним из уже известных методов планирования эксперимента.

Принципиально важной в этом случае является задача на собственные решения, которая, как уже указывалось, наиболее характерна для случая движения. Это позволяет просто формулировать задачу непосредственно планирования эксперимента, причем в наиболее удачном ракурсе: математического и исследовательского, которые оказываются удачно связанными между собой. Данная проблема фактически заключается в использовании разработанных математических моделей, т.е. полностью соответствует задаче нахождения решения или его экстремума и т. п. на базе наиболее теоретически обоснованных подходов.

Весь данный подход для планирования многофакторного эксперимента может быгь удачно использован на практике и во многих других случаях, т.е. весьма перспективен и удобен.

5.2 Анализ видов испытаний, включая

исследования токсичности.

Виды испытаний, определяются соответствующими действующими стандартами, методиками и пр. Некоторые из них являются основными, некоторые-второстепенными.

Виды испытаний и соответствующие нормативные документы с течением времени изменяются и совершенствуются, однако – это исходная основа оценочных показателей автомобилей, которым можно проводить сравнительные тесты не только в дорожных, но и стендовых условиях, но так же: и расчетным образом, используя необходимые математические методики, программные средства и т. п. Данные показатели можно считать основными. а дополнительными являются состав атмосферного воздуха при загрязнении и предельно-допустимые концентрации вредных веществ находящихся в нем: табл.3.2.Все из перечисленных показателей можно принимать за необходимые критерии оценок, в том числе и расчетные.

 
5.3.Обобщение связей между методами
математического эксперимента и
испытаний.
 

В данном случае речь идет о различных математических корреляционных моделях, которые целиком построены на базе данных исследований, являющихся также непосредственными методиками для этих задач. Изложенные здесь методы охватывают полностью очень многочисленные вопросы тяговой динамики, топливной экономичности и токсичности транспортных средств. Как уже указывалось, их можно использовать и для анализа результатов испытаний и т. п.

Таким образом, данные методы математического анализа являются не только универсальными, но и необходимыми корреляционными моделями для многих практических целей. В этом плане данные математические преобразования не требуют никакой дополнительной обработки, т.е. в большинстве своем не требуют получения других регрессионных уравнений, что очень выгодно во многих случаях. Поэтому изложенная здесь теория токсичности автомобиля на базе самых новых методов анализа представляет собой хорошую основу для любых экспериментов, особенно на перспективу с появлением всевозможных необходимых быстродействующих приборов и оборудования для таких исследований.. Особое удобство в плане проведения экспериментов представляют предлагаемые разные конечно-элементные модели для аналитического определения параметров основных эксплуатационных свойств автомобиля и его токсичности, которые можно использовать непосредственно при контроле и проведении испытания различного рода. Причем речь идет не только о самых сложных моделях, но и о самых простейших, которые относятся, например, к выбросам канцерогенных углеводородов и носят характер простого аналитического вида.

Несмотря на всю разносторонность данных математических моделей они позволяют анализировать очень широкий круг вопросов при испытаниях. Поэтому в данном случае удачно соединяются как математические эксперименты, так и непосредственно результаты испытаний и исследований с применением соответствующей регистрирующей аппаратуры. Кроме того, это весьма перспективные проблемы в отдаленном будущем, так как все многочисленные аспекты этих вопросов являются новыми и малоизученными.

 
5.4.Апробация методов математического
эксперимента и испытаний.
5.4.1.Анализ возможности решения
оптимизационных задач на базе
 разработанных методов.
 

Оптимизационные задачи могут быть разными по своей сути и иметь в своей основе различные методы. Тем не менее для случая дифференциального уравнение движения с консервативными силами можно говорить лишь о локальных оптимизационных решениях для отдельных параметров, о чем уже говорилось, поэтому известные методы планирования эксперимента в этом случае не дают необходимого результата. Такие задачи обычно решаются на базе иных подходов, позволяющих давать простые и точные решения.

 
5.4.2.Экспериментально-расчетные методы
определения факторов сопротивления
движению.
 

Здесь излагается нетрадиционный подход для задач оптимизационного класса, который может быть использован на практике наравне с такими методами как метод Норри и т.п.,так как обладает определенными преимуществами. Принцип этого метода относится к задачам численной оптимизаций, однако, он не имеет в своей основе сложного матричного решения, а лишь такие способы решения – как метод Симпсона, метод секущих хорд, метод отрезков. Даже при большой дискретности при расчетах этот подход может давать быстрое и точное решение.

Данный подход базируется на результатах испытаний автомобилей для того, что бы определить факторы дорожного сопротивления. Испытания автомобиля являются аналогом движения автомобиля на дороге, поэтому можно аналогичным образом рассматривается задача анализа факторов сопротивления непосредственно при движении. Как правило коэффициент лобового сопротивления, сопротивления качению, масса автомобиля и некоторые другие показатели могут быть определены относительно точно разными методами, однако некоторые из них бывают очень сложными.

Определение фактора воздушного сопротивления, например требует длительных и дорогостоящих продувок, а дорожный уклон можно определить лишь методами трудоемких испытаний. Во многих случаях можно использовать так же известный метод выбега. Поэтому при непосредственном движении определение совокупности этих факторов сопротивления очень сложная задача.

Поэтому можно конкретизировать эти методы. Например, модифицированный метод выбега заключается в следующем: используя выражения (2.27) и (2.31) для определения пути выбега в зависимости от скорости можно определить коэффициент лобового сопротивления Сх при известных остальных параметрах по данным экспериментов на выбег: рис.5.5.в. Для этого, например, необходимо знать начальную скорость и путь выбега до полной остановки. Для определения коэффициента Сх необходимо построить аналитическую зависимость используя данные выражения. Пересечение данной кривой и экспериментально определенной величины выбега, будет соответствовать искомому значению Сх..

Необходимо отметить, что на точность влияет, например, в данном случае скорость начала выбега: чем она выше, тем выгоднее. Это обьясняется тем, что данная функция выбега должна иметь больной наклон к оси координат, так как при некоторых условиях производная, или тангенс угла наклона кривой =0.

Более совершенным может оказаться способ обратного преобразования функции, в результате чего выражение для определения коэффициента Сх становится явным. Однако и в этом случае этот фактор окажется с двух сторон логарифма, поэтому данное выражение решается только на базе численной оптимизации или иным способом. Этот решаемый вариант построен на характеристике «путь выбега-скоростъ»: на ней необходимо выделить два последовательных участка так; что бы пути выбега на них были равны определенным величинам и,а кроме того для них необходимо определить значение скоростей в начале и конце участков. В этом случае можно составить простую систему уравнений для аналитического определения пути и на базе указанных выражений, тогда факторы дорожного сопротивления могут выражаться следующим образом).

Первый случай: известен коэффициент Cx, тогда (5.1).Второй случай: значение коэффициента Cx неизвестно: (5.2). Для аналогичных случаев может быть определен коэффициент сопротивления качению fo (5.4) или (5.5)

В выражения 5.1—5.5 входят значение скорости в четвертой степени, поэтому характеристика выбега должна определяться с высокой точностью. Кроме того, с точки зрения расчетов выгодно принять deltaV=0, что также упрощает расчеты и повышает точность.

Используя эти выражения можно определять не только эти значения, но и другие параметры, например, коэффициент учета вращающихся масс и т. п.

Данный метод определения факторов сопротивления движению относительно прост, а сами выражения 5.1—5.5– новы. Поэтому его выгодно использовать вместо других оптимизационных методов, лучшие из которых на базе матричного исчисления также требуют высокой точности при решении. Поэтому для бортовых автомобильных компьютеров он может оказаться выгодным.

Литература 1. Нарбут А. Н.,Медовщиков Ю. В. Методика расчета цикличного движения «разгон-выбег». -М: МАДИ,1984,с.51—56.2. А. Нарбут, Ю. Медовщиков. О максимально-возможных скоростях движения веломобилей.-Шяуляй. Тезисы докладов научно-техни-ческой конференции «Пути улучшения охраны окружающей среды при эксплуатации городского (веломобильного) транспорта,1984,с.13—15. 3. Ю. Медовщиков. Анализ конструкции веломобилей.-Шяуляй. Тезисы докладов научно-технической конференции"Пути улучшения охраныокружающей среды при эксплуатации городского (веломобильного) транспорта,1984,с.31—33. 4. Нарбут А. Н.,Медовщиков Ю. В.О максимально-возможных скоростях движения малых колесных транспортных средств.-М.:Известия ВУЗов. Машиностроение,1985, N4,стр.76—79. 5. Медовщиков Ю. В. Влияние аэродинамики автомобиля на топливную экономичность.-М.:МАДИ. Сб. научных трудов «Пути улучшения ав-тотранспортных средств», 1985,стр.97—103. 6. Нарбут А. Н.,Медовщиков Ю. В.К оценке топливной экономичности при режимах движения «разгон-выбег». -М.:Известия ВУЗов. Машиностроение,1986,N6,стр.110—114.7. Нарбут А. Н.,Медовщиков Ю. В. Влияние типа двигателя на расход топлива при движении в режиме «разгон-выбег». – М.: Известия ВУЗов. Машиностроение,1986,N8,стр.97—101. 8. Нарбут А. Н.,Медовщиков Ю. В. Влияние основных параметров автомобиля на расход топлива на режимах движения «разгон-выбег». -М.: МАДИ. Сб. научных трудов «Совершенствование конструкции и повышение эксплуатационных свойств автомобиля», 1987,стр.31—37. 9. Тихоненко Е. А., Лузинов Н. А., Осипов В. И., Медовщиков Ю. В. Анализ влияния дорожных условий на закон переключения в гидромеханической передаче городского автобуса.-М.:МАДИ. Сб. научных трудов «Пути совершенствования автомобиля и его агрегатов», 1988,стр.56—60. 10.Медовщиков Ю. В. Требования к двигателям особо малого класса.-М.:МАМИ. Сб. научных трудов «Совершенствование конструкции и улучшение показателей автомобильных и тракторных двигателей,1989,с.70—77. 11.Трофименко Ю. В.,Медовщиков Ю. В. Методика нормирования вредных выбросов перспективных АТС.-М.:НАМИ. Межотраслевой научно-технический семинар «Улучшение экологических характеристик автомобилей и тракторов. Проблемы снижения шума, вибрации и токсичности автомобилей», 1989,стр.105. 12.Трофименко Ю. В.,Медовщиков Ю. В. Подход к обоснованию норм вредных выбросов автотранспортных средств.– М.:МАДИ,1989,стр.180—185. 13.Технико-экономическое обоснование свойств экологически-чистых автотранспортных средств.-М.:МАДИ, х/д отчет,1989,N г. р. N1890050998,144с. 14.Медовщиков Ю. В. Принципы нормирования и аналитические методы определения выбросов вредных веществ с отработавшими газами транспортных средств.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1990,N9,стр.14—21. 15.Медовщиков Ю. В.,Шмелев В. М. Аэродинамическое устройство транспортных средств, а/с N1676911 (патент N1676911от 20.4.89). 16.Медовщиков Ю. В.,Шмелев В. М. Аэродинамическое устройство транспортного средства.-М.: ВНИИГПЭ. Открытия и изобретения. Бюллетень,1991,N34,стр.70—71. 17.Медовщиков Ю. В. Расчетное определение показателей токсичности автомобилей.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1991,N6,стр.40—41. 18.Варшавский И. Л.,Медовщиков Ю. В. Принципы и некоторые перспективы нормирования выбросов вредных веществ грузовых автомобилей, автобусов и мотоциклов. – М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 1991, N8,стр.47—52. 19.Медовщиков Ю. В. Метод конечных элементов как один из численных методов в задачах теории автомобилей.– М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 1991, N12,стр.28—31. 20.Медовщиков Ю. В. Подход к методам математического моде-лирования движения автомобиля в произвольных параметрических условиях и его токсичности.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1992,N3,стр.41—50. 21.Медовщиков Ю. В.Конечные элементы в задачах теории lвижения транспорта.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1992,N7,стр.31—36. 22.Медовщиков Ю. В. Проблема токсичности автомобилей. – М.: Транспорт: наука, техника, управление, 1992,N11, стр.26—35. 23.Медовщиков Ю. В. Исследование в теории автомобилей. М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1993,N4, стр.30—40. 24.Медовщиков Ю. В.Математическая модель параметрической матрицы исходных данных ездовых циклов.– М.: ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1993,N6,стр.36—46. 25.Медовщиков Ю. В.Рекорды топливной экономичности.– М.: Автомобильная промышленность,1994,N3,стр.34—36. 26.Медовщиков Ю. В.Анализ конструкции современных автомо– билей и мотоциклов.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1994,N1,стр.28—37. 27.Медовщиков Ю. В.Укрощение вихря.-М.:За рулем,1994, N1, стр.50—51. 28.Медовщиков Ю. В.Обтекатель автопоезда. Патент N2025372, от 24.4.92. 29.Медовщиков Ю. В.Экологически чистый веломобиль. Патент N2022865, от 14.4.92. 30.Медовщиков Ю. В. Складной мопед. Патент N2032582, от 8.4.92. 31.Медовщиков Ю. В.Мировые рекорды экономичности. – М.: ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 1994, N5, стр.50—52. 32.Медовщиков Ю. В.Теория движения и токсичности в удель– ных параметрах.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, уп– равление,1994,N7,стр.25—31. 33.Медовщиков Ю. В.Кузов автомобиля. Патент N2048350, от 20.11.95. 34.Медовщиков Ю. В. Экологически чистый веломобиль. – М.: ВНИИГПЭ. Изобретения,1994,N21,с.73. 35.Медовщиков Ю. В.Обтекатель автопоезда.-М.:ВНИИГПЭ. Изо– бретения,1994,N24. 36.Медовщиков Ю. В.Кузов автомобиля.-М.:ВНИИГПЭ, Изобрете– ния,1995,N32. 37.Медовщиков Ю. В.Складной мопед.– М.:ВНИИГПЭ. Изобрете– ния,1995,N10. 38.Медовщиков Ю. В.Автомобили. Мировые рекорды экономич– ности.-М.:Набла,1993,Препринт N11,19с. 39.Медовщиков Ю. В.Вариационные методы различных задач движения.-М.:ВИНИТИ: Транспорт: наука, техника, управление, 1995,N7,стр.58—61. 40.Медовщиков Ю. В.САПР-способ улучшения характеристик автомобиля.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 1995,N7,стр.53—57. 41.Медовщиков Ю. В.Итоги международного сотрудничества и внедрений в области научных исследований.– М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1996,N7,стр.38—41. 42.Медовщиков Ю. В.Итоги международного сотрудничества в области автотранспорта.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,1996,N9,стр.22—28. 43.Медовщиков Ю. В.Автоспорт – метод форсированных натур ных испытаний.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 1997,N9,стр.56—58. 44.Медовщиков Ю. В.Натурные эксперименты с альтернативными видами экологически-чистых транспортных средств..:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 2000,N9,стр.35—38. 45.Медовщиков Ю. В.Новые методы математического моделиро вания движения автотранспортных средств и токсичности вредных выбросов.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техниrка, управле-ние,2001,N1,стр.21—24. 46.Медовщиков Ю. В.Расчетные методы определения количества вредных выбросов с отработавшими газами. – М.:ВИНИТИ, Транспорт: наука, техника, управление, 2001, N3,стр.27—40. 47.Медовщиков Ю. В.Математическая модель системы впрыска топлива для двигателей внутреннего сгорания-М: ВИНИТИ Транспорт: наука, техника, управление,2001,N9,стр.23—27. 48.Медовщиков Ю. В.Применение методов газохроматографи– ческого анализа для определения канцерогенных ПАУ и нитроПАУ в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания. -М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 2002,N5,стр.41—46. 49.Медовщиков Ю. В.Методы испытаний двигателей внутреннего сгорания и определения их основных эксплуатационных свойств.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление,2003,N1,стр.40—45. 50.Медовщиков Ю. В.Метод определения проектировочных па– раметров двигателей внутреннего сгорания автомобилей.-М.:ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление, 2004,N9,стр.32—34. 51.Медовщиков Ю. В.Об аэродинамических свойствах автомо– билей.-М.;ВИНИТИ. Транспорт; наука, техника, управление, 2007,№11,стр.34—36. 52.Ю.В.Медовщиков, Основы тепловых двигателей внутреннего сгорания.-Москва.:РУСАЙНС,2018,106c.-ISBN-978-5-4365-2665-2. 53.Медовщиков Ю. В.,Токсичность автомобиля.-Издательские решения,2019, -116с. -ISBN 978-5-4496-3319-4