В настоящее время все более актуальной становится проблема уменьшения вредных выбросов автомобилей с отработавшими газами, особенно при движении в городах в сложных циклических скоростных условиях и различных нагрузочных режимах двигателей. Если ранее проблемы загазованности крупных городов, смог и другие сопутствующие вопросы были актуальны лишь для таких стран как США, Англия, Франция, Германия и Япония, то сейчас при колоссально увеличившемся автомобильном парке в нашей стране-эта проблема не только активно дебатируется везде и повсюду, но и так же уже безуспешно пытаются решаться многие годы и здесь.
Во всех странах ведутся активные научные исследования как непосредственно в этой области, так и просто осуществляются попытки создания радикального, то есть альтернативного экологически чистого транспорта.
1. СОСТОЯНИЕ вопроса И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Далеко не все, но самые основные компоненты в отработавших газах автомобильных выхлопов имеют вредное воздействие на окружающую среду и организм человека. Так, к примеру, углекислый газ не оказывает непосредственно вредного влияния на организм человека: он лишь приводит к появлению «тепличного» эффекта и т. п., поэтому его воздействие находится вне рассмотрения.
Другие же вредные вещества, выбрасываемые с отработавшими газами непосредственно влияют на здоровье людей и окружающую среду, поэтому требуют необходимого анализа.
Это касается всех вредных газов, для основных из которых существуют нормы выбросов, предельно-допустимые концентрации, пороговые дозы и пр. Выброс и канцерогенных ПАУ и НИТРОПАУ вообще являются наиболее вредными и относятся к классу высоких токсичных с очень большим коэффициентом вредности: они при-водят к появлению раковых онкологических заболеваний, что уже известно по многочисленным экспериментам на животных и с помощью необходимых статистических данных в этой области.
Все эти факторы могут быть обьеденены между собой и исследованы с помощью самых современных инженерных математических методов, а результаты исследований – могут дать пользу, в частности, при создании микропроцессорных систем управление автомобилем и двигателем, в процессе проведения необходимых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ для создании новых образцов перспективных автомобилей различных классов и т. п.
Таким образом, возникает много вопросов в этом направлении, которые являются весьма актуальными и требуют необходимого решения.
1.1.ОБЩИЙ СЛУЧАЙ ФОРМУЛИРОВКИ
ЗАДАЧИ ДВИЖЕНИЯ
Движение транспортного средства апроксимируется простыми и известными математическими выражениями. Историческая формулировка называется задачей Коши при некоторых граничных условиях. Тогда конкретная формулировка для движения транспортного средства выглядит как дифференциальное уравнение движения, где для разных случаев движения имеются различные фактор-ные условия, часть из которых общая:
– тяговая сила привода, например, на колесах,
– суммарная сила сопротивления движению,
– масса транспортного средства,
– ускорение неравномерного движения.
Другие факторы являются характерными лишь для каждого отдельного транспортного средства. Рассмотрим разные случаи для наземных транспортных средств.
Для автомобилей с колесным или гусеничным приводом (включая так же рельсовый транспорт) это сле-дующие параметры:
– коэффициент учета вращающихся масс, в
суммарную силу
сопротивления движению входят:
– сила сопротивления качению,
– сопротивления воздуха,
– сопротивления подьему.
Для морского транспортного средства: в суммарную силу сопротивления входят:
– равнодействующая сил трения, возникающая в
случае вязкости воды между корпусом движуще
гося судна и ближайшими к нему слоями воды
пограничного слоя,
– сопротивление формы, образующееся при
понижении давления, воды за корпусом судна,
– волновое сопротивление (влияние волны на
распреде ление гидродинамических давленией
вдоль смоченной поверхности корпуса судна,
– сопротивление выступающих частей (рулей,
насадок, кронштейнов).
В данном случае в состав расчетных параметров входят так же плотность воды, безразмерные коэффи-циенты трения, формы и волнового сопротивления.
Для слуяая амфибийных транспортных средств, т.е. для судов с воздушными подушками полное аэродинами-ческое сопротивление включает в себя:
– силу воздушного сопротивления,
– силу импульсного сопротивления на преодоление силы инерции воздуха, захваченного вентилятором,
– реактивное сопротивление на преодоление
горизонтальной составляющей реакции струи воздуха из воздушной подушки.
Здесь во всех случаях все силы сопроивления дви-жению пропорциональны постоянным коэффициентам и квадрату линейной скорости, поэтому интегральное уравнение движения в принципе имеет одну форму -и эти случаи могут рассматриваться как один и тот же вид интегрирования.
Для обобщенного варианта судов на подводных крыльях, экранопланов, горизонтального полета самолетов еще появляется дополнительная сила сопротивления, пропорциональная так же и линейной скорости, что и является основным отличием для данных случаев, т.е. интегральное уравнение движения имеет другую форму и здесь не рассматривается.
Таким образом решением дифференциального уравнения такого типа являются различные способы: разложение в ряд Тейлора, численные методы интегрирования, например, Рунге-Кутта, тяговый расчет, неопределенный интеграл и интегральное решение с граничными условиями, т.е. непосредственно новый метод, предложенный автором и названным по аналогии и математической сущности как известные методы из смежных дисциплин естествознания. Но как здесь уже указано данное решение ограничено лишь для первых однотипных условий движения наземных транспортных средств, – а, например, наличие крыльев транспортного средства меняет эти факторные условия кординально, не говоря уже о наличии
потенциальной энергии летающего транспорта. В последнем случае появляется хотя бы пропорциональная еще и линейной компоненте скорости движения, что требует совсем других математических моделей и дает другие результаты интегрального исчисления.
Эти факторы сопротивления движению и тяговая сила определяются в каждом случае своими расчетными формулировками, но могут апраксимироваться для всего привода в общем случае (особенно для последнего варианта с дополнительным линейным сопротивлением) как уравнение Лагранжа второго рода.
Поэтому в первых случаях с наиболее простыми факторными силами решение принимается как задача Коши и непосредственно в виде предложенной автором ранее формулировки, то для более общих случаев движения уже необходимо применять уравнение Лагранжа и соответствующие этому математические апраксимации.
