Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. Воздействия автотракторной техники на окружающую среду 8
1.2. Состав отработавших газов дизельных двигателей и их токсикологическое действие на экологию 11
1.3. Методы и средства снижения вредных выбросов дизельных двигателей 19
1.4. Анализ устройств для очистки отработавших газов в выпускной системе дизельных двигателей 22
1.4.1. Нейтрализаторы отработавших газов 22
1.4.2. Сажевые фильтры отработавших газов дизельных двигателей 31
1.4.3. Способы регенерации фильтрующих элементов 40
1.5. Выводы. Цель и задачи исследования 42
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ФН И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ 44
2.1 Функциональная схема системы ФН для математического моделирования 45
2.2. Определение дисперсного состава сажи в ОГ дизеля 49
2.3. Методика расчёта эффективности очистки отработавших газов дизельного двигателя в ФН от твёрдых частиц 52
2.4. Математическая модель определения гидравлического сопротивления ФН 57
2.5. Математическая модель определения сажеёмкости ФН 63
2.6. Математическая модель определения рациональных параметров 65
2.7. Выводы 66
3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 67
3.1. Задачи исследований 67
3.2. Программа исследований 68
3.3. Объект исследований 68
3.4. Методика лабораторных исследований 71
3.4.1. Применяемое оборудование и приборы 71
3.4.2. Испытания ФН на дымность и токсичность 76
3.4.3. Определение влияния сопротивления на показатели работы дизельного двигателя 78
3.4.4. Испытания трактора с серийным глушителем и фильтром-нейтрализатором на шум 80
3.5. Методика эксплуатационных испытаний 81
3.6. Обработка результатов испытаний, оценка точности полученных результатов 83
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЛЬТРА-НЕЙТРАЛИЗАТОРА.. 88
4.1. Исследования технико-экономических показателей дизеля Д-243 88
4.2. Результаты исследований эффективности работы фильтра-нейтрализатора 90
4.3. Результаты исследований сопротивления фильтра-нейтрализатора 101
4.4. Результаты исследований влияния сопротивления в выпускной системе двигателя на эффективные показатели его работы 103
4.5. Результаты определения сажеёмкости фильтра-нейтрализатора 107
4.6. Результаты определения рациональных конструктивных параметров ФН 109
4.7. Результаты измерений уровня шума трактора МТЗ-82.1 с серийным глушителем и ФН
4.8. Выводы 114
5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ФИЛЬТРА НЕЙТРАЛИЗАТОРА НА ТРАКТОРЕ МТЗ-82.1 115
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 123
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 125
ПРИЛОЖЕНИЯ 138
- Воздействия автотракторной техники на окружающую среду
- Функциональная схема системы ФН для математического моделирования
- Методика расчёта эффективности очистки отработавших газов дизельного двигателя в ФН от твёрдых частиц
Введение к работе
Из общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов, большая часть приходится на автомобильный транспорт -60 процентов. Промышленные предприятия выбрасывают 18 процентов, электростанции - 13, системы городского отопления - 6 и другие источники -3 процента. Следует отметить, что вредные вещества, выбрасываемые производственными предприятиями, концентрируются по огромному радиусу в определенной зоне, а отработавшие газы автомобилей распространяются по всей территории населенного пункта. При неблагоприятных условиях в приземных слоях атмосферы образуются ядовитые туманы, так называемые смоги, содержащие токсичные составляющие отработавших газов - углеводороды и оксиды азота [84, 87].
Существенная доля загрязняющих выбросов с отработавшими газами приходится и на автотракторную технику, оснащенную дизельными двигателями. Всего отработавшие газы (ОГ) дизельных двигателей содержат около 280 компонентов, большинство из которых токсичны [67]. Они представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Из них наиболее вредными для окружающей среды и человека являются: оксид углерода (СО), углеводороды (CnHm), оксиды азота (NOx) и твердые частицы сажи, которые адсорбируют на своей поверхности полиароматические углеводороды, являющиеся сильнейшими канцерогенными веществами [30,33, 34, 70].
Решение задачи повышения экологических показателей дизелей приводит к необходимости внедрения в отечественное двигателестроение различных методов и устройств снижения токсичности ОГ. В настоящее время разрабатываются и успешно претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автотракторных двигателей, включающие в себя: внедрение государственных и отраслевых стандартов, регламентирующих допустимые уровни выбросов вредных веществ автотракторными
5 двигателями; создание двигателей с малотоксичным рабочим процессом;
изыскание новых видов топлив и присадок к ним, позволяющих заменить жидкие топлива нефтяного происхождения; повысить топливную экономичность двигателей и значительно снизить их токсичность; разработку и внедрение устройств, способствующих снижению токсичности существующих типов двигателей (нейтрализаторов отработавших газов, сажевых фильтров и др.); серийный выпуск средств контроля токсичности и дымности отработавших газов; улучшение условий эксплуатации автотракторной техники и совершенствование системы контроля за техническим состоянием автотракторной техники.
Меры по снижению токсичных выбросов за счёт совершенствования конструкции двигателя, применения альтернативных видов топлива и улучшения условий эксплуатации техники дают определённый эффект. Однако они не в полной мере удовлетворяют всё возрастающим требованиям к дизелям по экологической безопасности. Одним из перспективных направлений решения рассматриваемой проблемы является установка в выпускной системе дизельного двигателя антитоксичных устройств. Анализ существующих конструкций сажевых фильтров ОГ показал, что они имеют ряд недостатков: высокое начальное сопротивление, которое в процессе эксплуатации многократно увеличивается, небольшой ресурс работы, значительная сложность изготовления, сравнительно высокая стоимость. Поэтому требуется разработка более совершенной конструкции фильтра-нейтрализатора (ФН) по снижению вредных выбросов двигателей мобильных энергетических средств (МЭС), которая отвечала бы современным жестким требованиям.
Цель работы: снижение вредного воздействия дизельных двигателей мобильных энергетических средств на экологию за счёт оборудования выпускной системы высокоэффективным фильтром-нейтрализатором.
Объект исследований: дизельный двигатель МЭС, оборудованный фильтром-нейтрализатором отработавших газов, который состоит из сажевого фильтра и каталитического блока, элементы фильтра выполнены из порис-
того сетчатого материала (ПСМ) и расположены концентрично.
Предмет исследования: выявление закономерностей изменения степени очистки ОГ от сажи и сопротивления фильтра-нейтрализатора на скоростных и нагрузочных режимах работы дизельного двигателя Д-243.
Научная новизна работы:
- математическая модель определения сопротивления фильтра-
нейтрализатора потоку отработавших газов, отличающаяся учётом влияния
его конструктивных особенностей;
математическая модель определения сажеёмкости фильтра, отличающаяся тем, что учитывается снижение степени очистки отработавших газов от твердых частиц и продолжительность работы;
научно-техническое обоснование рациональных конструктивных параметров разработанного фильтра-нейтрализатора отработавших газов дизельного двигателя;
зависимости изменения степени очистки отработавших газов от сажи и сопротивления фильтра-нейтрализатора от его конструктивных параметров и режимов работы двигателя.
На защиту выносятся:
- математическая модель определения сопротивления фильтра-
нейтрализатора потоку отработавших газов;
математическая модель определения сажеёмкости фильтра - нейтрализатора;
рациональные конструктивные параметры разработанного фильтра-нейтрализатора отработавших газов дизельного двигателя;
зависимости изменения степени очистки отработавших газов от сажи и сопротивления фильтра-нейтрализатора от его конструктивных параметров и режимов работы двигателя;
- экономическая оценка эффективности применения фильтра-
нейтрализатора на двигателях МЭС.
7 Практическая ценность работы;
Разработанный фильтр-нейтрализатор (патент РФ № 2280177) позволяет снизить выбросы твёрдых частиц, оксидов азота, углерода, и углеводородов. Кроме того, он выполняет роль глушителя.
Результаты научных исследований рекомендованы к использованию в ОАО «Липецкий трактор» при разработке новых и модернизации выпускаемых заводом тракторов. Испытания опытной конструкции фильтра-нейтрализатора в условиях предприятия ООО "Шапошниковка-Молоко" Ольховатского района Воронежской области подтвердили эффективность его применения на тракторе МТЗ-82.1 при выполнении им транспортных операций.
Апробация работы: основные положения диссертации доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава в Воронежском госагроуниверситете им. К.Д. Глинки (2004 - 2007 гг.), а также на техническом совете конструкторского бюро ОАО «Липецкий трактор» (2007 г.).
Воздействия автотракторной техники на окружающую среду
В настоящее время на большинстве видов мобильной сельскохозяйственной техники применяются дизельные двигатели. Это объясняется тем, что дизели работают на сравнительно дешевом дизельном топливе, отличаются от бензиновых двигателей лучшей топливной экономичностью и, как правило, меньшей токсичностью отработавших газов (ОГ). Однако и дизельные двигатели не всегда удовлетворяют современным жестким требованиям по токсичности ОГ.
При эксплуатации сельскохозяйственной техники существует множество факторов, отрицательно влияющих на окружающую среду. Это хорошо видно из рисунка 1.1 [23, 33, 34]. Основными видами воздействия автотракторной мобильной техники на природную среду являются: механические, химические, акустические и электромагнитные. На первом месте по степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоит химическое воздействие мобильной сельскохозяйственной техники, а именно - загрязнение атмосферы отработавшими газами (ОГ). Вредные выбросы автотракторных двигателей вызывают серьёзные заболевания у людей и сельскохозяйственных животных, сокращают урожайность (до 25%) и снижают качество сельскохозяйственных культур (картофеля, кукурузы, зерновых и др.), особенно в придорожной зоне автомагистралей [68].
При эксплуатации мобильных энергетических средств на выбросы вредных веществ с ОГ влияет техническое состояние систем двигателя и износ деталей. Это видно из данных, приведённых в таблице 1.1 [18]. Так, разрегулирование ТНВД увеличивает процентное содержание в ОГ СО до 50%, СН - до 25%, дымность - до 100%. Подобные данные увеличения содержания вредных выбросов наблюдаются и при других неисправностях.
Неисправности трансмиссии и ходовой части автотракторной техники увеличивают потребляемую мощность, а следовательно, и расход топлива, что приводит к росту выбросов вредных веществ с ОГ. При истирании тормозных колодок в воздух и почву попадают медь, ванадий, молибден, никель, хром, а при износе покрышек - кадмий, свинец, цинк. Поддержание транспортного средства в технически исправном состоянии способствует снижению выброса вредных веществ. Особая опасность этих выбросов заключается в том, что в них содержится сажа, способствующая глубокому проникновению тяжелых металлов в организм человека.
Из анализа литературных источников следует, что на долю автотракторной техники приходится 60% выбросов, загрязняющих атмосферу. Основным видом воздействия на экологию и наиболее вредным является химическое, особенно это воздействие увеличивается при работе техники в неисправном состоянии.
Отработавшие газы дизельных двигателей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц, всего около 280 компонентов. Усреднённый состав ОГ приведён в таблице 1.2 [67, 68]. ОГ содержат азот N2 и кислород 02, продукты полного сгорания топлива (диоксид углерода СОг и водяной пар ГЬО), вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (оксиды азота NOx), продукты неполного сгорания топлива (оксид углерода СО, углеводороды СНХ, дисперсные твердые частицы, основным компонентом которых является сажа), а также оксиды серы, альдегиды, продукты конденсации и полимеризации (табл. 1.2.) [43, 53, 61, 68]. Кроме продуктов сгорания топлива в ОГ дизелей присутствуют продукты сгорания смазочного масла и вещества, образующиеся из присадок к топливу и маслу. В незначительных количествах (1-2%) ОГ содержат водород Н2 и инертные газы — аргон Аг и др.
Функциональная схема системы ФН для математического моделирования
Функциональная схема системы ФН отражает целостное описание взаимодействующих в нем процессов, облегчает рассмотрение поставленной задачи, обеспечивает возможность сравнения с подобными аналогичными функциональными схемами на предмет новизны, даёт возможность проведения синтеза новой более эффективной схемы процессов. Она представлена на рисунке При разработке функциональной схемы использована одна из концепций моделирования - концепция баланса интенсивностей потоков. Исследуемые процессы отражены в форме кибернетической ММ "вход-выход". В соответствии с целями и задачами исследования на функциональной схеме выделены линии потоков ОГ, местные сопротивления в потоке и тепловые потоки между элементами зон. Из схемы видно, что вначале идёт очищение ОГ от твёрдых частиц (сажи), а затем последовательно протекают химические реакции в каталитическом блоке.
Схема функциональных связей позволяет указать места размещения управляющих воздействий. Существенная зависимость процессов в ФН от температуры ОГ требует тщательного учета неравномерности распределения локальных скоростей, концентраций и температур аэродинамических, тепловых и массообменных потоков, исследования зависимостей их неравномерности и интенсивности от особенностей граничных условий.
Для моделирования аэродинамических потерь исследуемая конструкция ФН представлена более простыми последовательно связанными подсистемами (зонами): конического диффузора (КД); шайб на входе (Ш вх); фильтрующей поверхности (ФЭ); шайб на выходе (Ш вых); каталитического блока (КБ) и конфузора (КФ).
Рассмотрим процессы, протекающие в ФН по зонам. При их рассмотрении были сделаны следующие допущения: не учитывалась сжимаемость в элементах и расход (Gor) ОГ принят постоянным в каждом из элементов ФН, соединенных последовательно. Зона с коническим диффузором характеризуется сопротивлением 1 и тепловым потоком qi в окружающую среду через наружную поверхность.
В зоне 3 происходит улавливание частиц сажи фильтрующими элементами из ПСМ. Процесс Fj основан на использовании следующих основных механизмов осаждения: инерционного, когда частицы сажи сталкиваются с нитью сетки; броуновской диффузии, когда частицы сажи соприкасаются с осаждающим элементом под действием удара газовых молекул; зацепления, когда частицы сажи соприкасаются с осаждающим элементом, проходя с газовым потоком вдоль его поверхности на расстоянии, равном или меньшем радиусу частицы. Эти способы улавливания частиц хорошо описаны в следующей литературе [39, 80, 89, 100, 102, 108, 115, 120, 122]. Фильтрующие элементы из ПСМ относятся к типу волокнистых фильтров. Вследствие сравнительно большого сопротивления потоку газов он эксплуатируется при малых скоростях течения газов через него. Течение газов в волокнистых фильтрах носит очень сложный характер, так как поток непрерывно меняет направление, огибая волокна. Процесс задержания частиц на волокнистых фильтрах можно разделить на два этапа, следующих один за другим. Сначала частицы, которые должны быть выделены из потока газа, подводятся к поверхности волокон фильтра, а затем они примыкают к этим волокнам. Под действием сил инерции частиц, начиная с некоторого их размера, происходит отклонение частицы от линии тока, в результате чего она движется около волокна по менее искривленной траектории и проходит около него так близко, что захватывается даже тогда, когда линия тока, по которой она первоначально двигалась, лежит на расстоянии большем, чем радиус частицы. Для очень мелких частиц в процесс улавливания вступают силы броуновского движения, действие их сказывается тем больше, чем меньше размер частиц. Этот участок характеризуется наибольшим сопротивлением $ и тепловым потоком gf. Зона 4 характеризуется сопротивлением и тепловым потоком gj. В зоне 5 (КБ) происходит химическая очистка отработавших газов от оксида азота (NOx), оксида углерода (СО), и углеводородов (CnHm). Она характеризуется сопротивлением 5 и тепловым потоком gs. На выходе, все потоки газа Gj, исходящие из каталитического блока, объединяются в зоне конфузо-ра (КФ), который имеет газодинамическое сопротивление 1 и qs- Состояние ФН оценивается переменными параметрами: температурой (Тог,); абсолютным давлением (pi); расходом ОГ (Gor;); концентрацией сажи (С) и токсичных компонентов (ТК) в ОГ на входе в ФН и выходе из каждой зоны.
Выбор указанных зон обусловлен их существенной взаимозависимостью на уровне тепло - и массопередачи продуктов и компонентов химических реакций и необходимостью изучения и использования всех возможностей интенсификации процессов очистки ОГ дизеля и определения рациональных параметров ФН.
Методика расчёта эффективности очистки отработавших газов дизельного двигателя в ФН от твёрдых частиц
Улавливание частиц фильтрами из ПСМ основано на том, что газовый поток, проходящий через фильтр, подводит частицы вплотную к улавливающему материалу, при этом улавливание осуществляется с помощью механизма близкого взаимодействия [108]. Улавливание этим способом осуществляется за счёт: инерционного соударения, перехвата, диффузии, а также электрических, термических и гравитационных сил. Механизмы улавливания частиц представлены на рисунке 2.3. Для каждого способа были разработаны математические модели, решение которых осуществляется численными методами. Однако пока еще не разработана исчерпывающая математическая база, описывающая сочетание двух или более видов близкого взаимодействия, лишь для некоторых частных случаев найдены числовые решения. Но в большинстве случаев доминирует один механизм, что позволяет сделать упрощающие допущения. Для частиц, измеряемых микрометрами, и более крупных основную роль играет инерционное соударение и перехват, тогда как диффузия имеет гораздо большее значение в случае субмикронных частиц [108, 120].
Электрическими силами можно пренебречь, поскольку этот механизм захвата частиц имеет место в том случае, если волокна фильтра несут заряды или поляризованы внешним электрическим полем. В нашем случае этого не происходит.
При нормальных условиях ролью термических сил в процессе фильтрации можно пренебречь, поскольку для того чтобы они были эффективны, необходима очень большая разница температур между частицами и улавливающим материалом. В связи с небольшими размерами улавливающих волокон их теплоёмкость невелика, и они быстро принимают температуру газового потока и частиц, проходящих через фильтр [102].
Гравитационное осаждение частиц заметно проявляется при малых скоростях фильтрации (до 0,02 м/с) и при вертикальном течении газа через
54 фильтр. С увеличением скорости фильтрации 0,1 м/с гравитационными силами можно пренебречь.
Механизм фильтрации твёрдых частиц из потока ОГ элементами из ПСМ носит инерционный характер. Под действием сил инерции частиц, начиная с некоторого их размера, происходит отклонение частицы от линии тока, в результате чего она движется около волокна по менее искривленной траектории и проходит около него так близко, что захватывается даже тогда, когда линия тока, по которой она первоначально двигалась, лежит на расстоянии большем, чем радиус частицы. Улавливающая способность одного слоя сетки в фильтрующем элементе из ПСМ при очистке ОГ от твердых частиц зависит от диаметра проволоки, пористости и скорости фильтрации. Для расчёта эффективности улавливания частиц сажи использовались формулы из следующих источников [7, 35, 89, 102, 108, 120].
Милликена вводится для частиц диаметром порядка длины среднего свободного пробега молекул газа, для учета тенденции к скольжению между газом и мелкими частицами; \х - динамическая вязкость ОГ, Па-с; dnp. - диаметр проволоки сетки, м.
Чем больше число StK, тем больше число столкновений частиц с поверхностью волокна фильтровального материала.
Динамическая вязкость ОГ зависит от их состава и температуры. Обработав справочные данные [45, 46], мы получили функциональную зависимость вязкости отработавших газов от На эффективность захвата частиц касанием существенно влияет отношение размера частиц и диаметра проволоки сетки, на поверхность которых происходит осаждение, и в меньшей степени - скорость потока и вязкость газа.
Значение общей эффективности очистки ОГ фильтром из ПСМ от твёрдых частиц через Nc слой сетки увеличивается с уменьшением диаметра проволоки и пористости этого слоя, а также с повышением скорости фильтрации и числа слоев сетки. Общую эффективность улавливания находим суммированием фракционной эффективности по размерам частиц из выражения
