Экологическая безопасность малогабаритных двигателей внутреннего сгорания в жизненном цикле

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) играют огромную роль в обеспечении устойчивого развития общества, но одновременно оказывают негативное влияние на окружающую среду. При этом загрязнение окружающей среды обусловлено не только выбросами вредных веществ на стадии эксплуатации ДВС. Негативное воздействие на экологическое состояние атмосферы проявляется также на стадии производственных процессов, связанных с добычей сырья, с производством моторного топлива и масла, конструкционных материалов и т. д. Поэтому снижение совокупного воздействия ДВС на окружающую среду, как в производственном цикле, так и при эксплуатации, является актуальной проблеI мой современного двигателестроения.

Уровень экологического совершенствования ДВС в перспективе должен соответствовать не только требованиям Правил ЕЭК ООН (№ 49, № 83 и др.), но и требованиям экологической безопасности на всех стадиях жизненного цикла (ЖЦ) согласно международным стандартам серии ISO 14 000.'

Развитие экономики Республики Гаити наталкивается на ряд трудностей, источником которых является дефицит электроэнергии, потребляемой промышленными предприятиями и сельским хозяйством.

Дефицит обусловлен износом оборудования гидроэлектростанции и электросетей, которые не обновлялись в течение 30 лет. Недостаток электроэнергии в народном хозяйстве восполняется путем широкого применения мотогенераторов различной мощности. Особое значение приобретает энергоснабжение сельских районов, так как большая часть населения республики занята сельскохозяйственным производством. Средний размер угодий доходит до двух гектаров, и расположены они как в гористой местности, так и на равнине. Такие хозяйства требуют мотогенераторы и средства малой механизации с двигателями внутреннего сгорания мощностью в основном 3.7 кВт. В этом диапазоне применяют как дизели, так и бензиновые двигатели, которые вносят существенную долю в выбросы вредных веществ в атмосферу.

Учитывая сложную экологическую обстановку и зависимость Республики1 Гаити от импорта нефтепродуктов, рациональный выбор типа двигателя для мотогенератора и средств малой механизации мощностью 3.7 кВт приобретает дополнительную актуальность.

К настоящему времени накоплены определенные сведения о технических изделиях с учетом функционирования их по фазам жизненного цикла. Однако по отношению к малогабаритным двигателям внутреннего сгорания методы экологической оценки жизненного цикла до настоящего времени остаются еще мало исследованными.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка методики оценки уровня воздействия на окружающую среду малогабаритных двигателей внутреннего сгорания (МДВС) и их рационального выбора с учетом жизненного цикла (ЖЦ) для обоснования мер по повышению экологической безопасности в условиях Республики Гаити.

ИДЕЯ РАБОТЫ базируется на основе стандартов серии ГОСТ Р ИСО 14 000 и результатов статистической обработке российской и зарубежной литературной информации и баз данных, содержащих экологические параметры’производства конструкционных и эксплуатационных материалов и эксплуатации малогабаритных двигателей внутреннего сгорания.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

1. На основе комплексного анализа и обобщения информационных базовых данных сформулировать алгоритм интегральной экологической оценки уровня воздействия на окружающую среду на стадиях производства и эксплуатации малогабаритных двигателей из различных конструкционных материалов.

2. На основе существующих методов математического моделирования разработать методику расчета параметров процесса сгорания и образования оксидов азота в цилиндре малогабаритного дизеля для проведения анализа выбросов вредных веществ в окружающую среду на стадии эксплуатации МДВС и поиска средств по совершенствованию его экологических качеств.

3. Провести комплекс экспериментальных исследований на моторном стенде с целью проверки достоверности разработанной методики и результатов аналитического исследования и окончательного уточнения факторов, влияющих на экологические и экономические показатели цикла, для условий рабочего процесса малогабаритного дизеля.

4. Провести сравнительную оценку воздействия на окружающую среду в период жизненного цикла бензиновых двигателей и дизелей в диапазоне мощности 3,3. .7 кВт.

5. По результатам проведенного исследования методически обосновать рекомендации по выбору типа малогабаритного двигателя и средств улучшения их экологических качеств с целью улучшения состояния экологической обстановки в локальных зонах их эксплуатации в условиях Республики Гаити.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту, и их научная новизна.

1. Для сопоставления эффективности воздействия различных типов МДВС на окружающую среду обоснована целесообразность использования экологического критерия {"индикатора"), учитывающего интегральную степень экологического влияния на среду этих двигателей.

2. Предложена методика расчета параметров процесса сгорания и образования оксидов азота в цилиндре малогабаритного дизеля, позволяющая проводить анализ выбросов вредных веществ в окружающую среду на стадии эксплуатации МДВС и обосновывать выбор наиболее рациональных средств по повышению его экологической безопасности.

3. По результатам исследования выявлены эффекты неоднозначного воздействия на окружающую среду МДВС в производственной и эксплуатационной фазах их существования. Установлено, что МДВС с диапазоном мощности от 3,3 до 7,0 кВт оказывают различное влияние на экологическую безопасность, что явилось основанием для выделения трех групп по эффективности их воздействия на окружающую среду.

4. На основе предложенной методики и полученных результатов осуществленного исследования предложена процедура проведения оценки экологической безопасности МДВС, предусматривающая комплексное рассмотрение технико-экономических и экологических параметров с учетом производственной и эксплуатационной фаз существования двигателей.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ обусловлена результатами собственных экспериментальных исследований МДВС, а также комплексным анализом информационных баз данных по выбросу вредных веществ в окружающую среду при эксплуатации МДВС и производстве для них конструкционных материалов с использованием отечественных и зарубежных апробированных методик с оценкой надежности по статистическим критериям.

НАУЧНАЯ ЦЕННОСТЬ.

1. Научно — методически обоснован выбор целесообразного интегрального критерия (экологического индикатора) для оценки уровня негативного воздействия на окружающую среду МДВС с учетом их специфики, совокупно учитывающего производственные и эксплуатационные стадии существования двигателей.

2. На основе известных методов математического моделирования разработана методика расчета параметров процесса сгорания и образования оксидов азота в цилиндре малогабаритного дизеля.

3. Определены численные значения безразмерных коэффициентов для расчета экологического индикатора производственной и эксплуатационной фаз жизненного цикла малогабаритных двигателей внутреннего сгорания.

5. Получены новые данные, устанавливающие, что:

— экологическое воздействие МДВС на окружающую среду в период производственной фазы не превышает 3.5% от воздействия в период их эксплуатации. Стадия эксплуатации двигателей обуславливает наибольший вклад в негагативное воздействие на окружающую среду. Причем с увеличением срока эксплуатации. эта цифра увеличивается пропорционально длительности работы МДВС.

— расчеты экологического индикатора для бензиновых двигателей и дизели за весь период жизненного цикла позволили выделить три области воздействия на экосистему МДВС с учетом их мощности. До мощности 3,8 кВт наименьший ущерб окружающей среде наносит бензиновый двигатель. В диапазоне мощности от 3,8 до 4,6 кВт оба типа двигателей примерно равноценны. При мощности свыше 4,6 кВт преимущество имеет дизель.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается:

— в получении данных, позволяющих определить суммарное негативное воздействие на окружающую среду малогабаритных двигателей внутреннего сгорания в производственной и эксплуатационной стадиях их существования, и делать целесообразный выбор конкретного двигателя по данному критерию;

— в практических рекомендациях по выбору средств улучшения токсических характеристик МДВС, что обеспечивает повышение экологической безопасности среды в зонах их эксплуатации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы доложены на научных конференциях: «Актуальные проблемы экологии и природоиспользования» в 2001, 2002, 2004, 2005 г. г. в Российском университете дружбы народов, и кафедры «Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности" — на международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» в г. Пенза, 2002, 2006 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа содержит 126 страниц машинного текста, введение, пять глав основного содержания, общие выводы, 29 рисунков, 27 таблиц и список литературных источников из 84 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная народнохозяйственная задача по разработке '< методики оценки и выполнено исследование экологической безопасности малогабаритных двигателей внутреннего сгорания на стадиях производства и эксплуатации с учетом основных факторов воздействия на окружающую среду.

На основании полученных в работе результатов можно сделать следующие основные выводы.

1. Разработан алгоритм для комплексной оценки экологического воздействия на окружающую среду малогабаритных двигателей внутреннего сгорания с учетом их изготовления из различных конструкционных материалов. Научно обоснован выбор обобщенного численного показателя — экологического индикатора, определяющего влияние на экологическую безопасность токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу, в производственной и эксплуатационной фазах жизненного цикла МДВС. Определены численные значения безразмерных коэффициентов для расчета экологического индикатора двигателей данного класса.

2. На основе методов математического моделирования разработана методика расчета параметров процесса сгорания и образования оксидов азота в цилиндре малогабаритного дизеля, позволяющая оценить выбросы вредных веществ в окружающую среду на стадии эксплуатации МДВС и обосновывать выбор наиболее рациональных средств повышения его экологической безопасности.

3. Получен результат, свидетельствующий о существовании для малогабаритных одноцилиндровых двигателей линейной зависимости между их массой, рабочим объемом и «мощностью, что обуславливает возможность определять экологический индикатор в производственной фазе жизненного цикла по показателям мощности двигателя. 4. Установлено, что экологическое воздействие малогабаритных двигателей на окружающую среду в период производственной фазы составляет

3. .5% от величины их воздействия в период их эксплуатации. Стадия эксплуатации двигателей обуславливает наибольший вклада в негативное воздействие на окружающую среду. Причем с увеличением срока эксплуатации эта цифра увеличивается пропорционально длительности работы МДВС.

5. Расчеты экологического индикатора для бензиновых двигателей и дизелей за весь период жизненного цикла позволили выделить три области воздействия на экосистему МДВС с учетом их мощности. До мощности 3,8 кВт наименьший ущерб окружающей среде наносит бензиновый двигатель. В диапазоне мощности от 3,8 до 4,6 кВт, оба типа двигателей примерно равноценны. При мощности свыше 4,6 кВт преимущество имеет дизель.

6. По результатам проведенного исследования сформулированы общие принципы в подходе к решению проблемы рационального выбора типа малогабаритных двигателей и эффективных мер по совершенствованию их токсических показателей с целью улучшения экологической обстановки в зонах их эксплуатации для условия Республики Гаити.