Содержание к диссертации
Введение
1. Экологическая характеристика вредных выбросов отработавших газов двигателей.
Механизмы образования оксидов азота в ДВС 9
1.1. Основной состав вредных выбросов отработавших газов 9
1.2. Физико-химические основы образования оксидов азота в ДВС 26
1.3. Механизм образования термических оксидов азота 27
1.4. Механизм образования топливных оксидов азота 41
1.5. Механизм образования быстрых оксидов азота 50
2. Физико-химический механизм и математическое моделирование процессов образования оксидов азота в дизелях 61
2.1. Кинетический механизм образования оксидов азота
2.2. Математическая модель образования оксидов азота в цилиндре дизеля с учетом азотосодержащих соединений в топливе 77
3. Объект и методика проведения экспериментальных исследований 87
3.1. Экспериментальное определение свойств испытываемых топлив 87
3.1.1. Методика расчета элементарного состава и термохимических параметров смесевых топлив 87
3.1.2. Определение физических свойств исследуемых топлив 92
Экспериментальное определение технико-экономических параметров работы двигателя 101
1. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 104
2. Экспериментальное определение эффективной мощности двигателя 105
3. Экспериментальное определение расхода топлива 109
4. Измерение расхода воздуха Экспериментальное определение токсичных компонентов отработавших газов 118
1. Измерение концентрации оксидов азота 118
2. Измерение концентрации углеводородов и монооксида углерода 121
Литература 159
Приложения
- Основной состав вредных выбросов отработавших газов
- Кинетический механизм образования оксидов азота
- Экспериментальное определение свойств испытываемых топлив
Введение к работе
Актуальность работы. Оксиды азота, составляющие до 0,8 % по объему отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС), являются наиболее токсичными компонентами [23, 27, 60, 61, 76].
В связи с широким использованием тяжелых топлив, а также топлив искусственного происхождения, получаемых в результате переработки каменного угля, для двигателей транспортных средств возникает ряд вопросов, связанных с влиянием азотосо-держащих соединений топлива на токсичность ОГ дизельных двигателей.
Большое количество экспериментальных данных, характеризующих процессы образования топливных оксидов, накопленных при сгорании твердого и жидкого топлива в топках парогенераторов тепловых электростанций (ТЭС), а также на лабораторных установках противоречивы, отсутствует единство взглядов о влиянии физических условий процесса, состава смеси, массового содержания связанного азота в топливе на степень перехода его в оксид азота.
Отсутствие обобщенного кинетического механизма образования термических, быстрых и топливных оксидов азота не позволяет априорно перенести результаты лабораторных исследований образования оксидов азота на условия сгорания топлива в ДВС. Это требует экспериментальных и теоретических исследований процессов образования оксидов азота и снижения их эмиссии с ОГ ДВС.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в улучшении технико - экологических характери- стик ДВС регуляторами горения моторных топлив на основе органических соединений.
Для достижения поставленной цели решены следующие зада чи: !> - проведен анализ существующих кинетических механизмов и методов моделирования процесса образования оксидов азота; исследовано влияние азотосодержащих соединений в топливо на общую эмиссию оксидов азота (NOx) с отработавшими газами; получена регрессионная модель влияния азотосодержащих соединений в топливе на общую эмиссию оксидов азота; проведены экспериментальные исследования, направленные на поиск эффективных регуляторов горения, как способа улучат шения технико - экологических характеристик ДВС; получена регрессионная модель, учитывающая эффект снижения оксидов азота за счет применения регуляторов горения; - произведена проверка адекватности полученных моделей пу тем сравнения теоретических и экспериментальных данных.
Научная новизна работы заключается в разработке кинетической модели образования термических, топливных и быстрых ок- . сидов азота и получении новых экспериментальных данных по влиянию азотосодержащих соединений топлива на выход оксидов азота и рекомендаций по снижению эмиссии оксида азота за счет применения регуляторов горения.
Практическая значимость. Разработанные модели и методики образования оксидов азота позволяют спрогнозировать выход токсичных компонентов на стадии проектирования дизельных ДВС. Исследованная присадка (аминобензол) в дизельное топли- (* во позволяет снизить общую токсичность ОГ ДВС.
Объект исследования. В качестве объекта исследования использовался полноразмерный тракторный дизель СМД - 18Н и смесевые топлива с присадками азотосодержащих соединений, а также органические регуляторы горения в сравнении с дизель-/l. ным топливом марки Л-0,2-40.
Методы исследования. В основу методов исследования положена теория дифференциальных уравнений и вариационной статистики. Экспериментальные данные обрабатывались в прикладных программных пакетах Macrosoft Excel и MathCad 7 Pro.
Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечиваются исследованиями в течение 1996 - 2005 г.г., большим объемом экспериментального материала, применением математических методов обработки исходных данных с использованием современных компьютерных программ. Приборы, использованные в лабораторном эксперименте, прошли метрологическую поверку.
Личный вклад автора заключается в получении новых экспериментальных данных по эмиссии NOx с ОГ ДВС при работе с присадками азотосодержащих соединений, влиянию регуляторов горения на эмиссию оксидов азота. В разработке методики про-ведения эксперимента, расчета термохимических характеристик смесевых топлив, а также регрессионной математической модели подавления эмиссии оксидов азота за счет применения регуляторов горения.
Реализация работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс при чтении курсов «Испытания ДВС» и «Экология ДВС» в Марийском государственной техническом университете, а так-/* же на предприятиях города Йошкар - Ола.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научно - технических конференциях в Марийском государственном техническом университете с 1997 по 2005 годы.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ.
На защиту выносятся следующие положения: экспериментальные данные по влиянию азотосодержащих соединений в топливе на эмиссию оксидов азота с отработавшими газами дизелей; регрессионная модель и методика расчета эмиссии топливных оксидов азота в зависимости от состава топлива и параметров рабочего процесса дизелей; экспериментальные данные по влиянию регуляторов горения на параметры рабочего процесса и экологические показатели ОГ две. регрессионная модель снижения эмиссии оксидов азота за счет применения регуляторов горения; циан - аминный механизм образования термических, быстрых и топливных оксидов азота в процессах энергетического горения;
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы в количестве 125 наименований. Основное содержание изложено на 140 страницах машинописного текста, иллюстрировано 31 рисунком и 35 таблицами.
class1 Экологическая характеристика вредных выбросов отработавших газов двигателей.
Механизмы образования оксидов азота в ДВС class1
Основной состав вредных выбросов отработавших газов
Оценка видов и источников загрязнения окружающей среды транспортом показывает два подхода: традиционный, охватывающий только собственно транспортные технологические процессы, и комплексный, включающий весь возможный круг факторов, связанных с транспортом [2].
При традиционном подходе учитывают поступление загрязняющих веществ в биосферу непосредственно в результате функ-ционирования подвижного состава: отработавшие газы транспортных двигателей попадающее в воздух, сброс в воду стоков с судов и т. п. Сюда относят аварии транспортных средств с рассеянием в биосфере их грузов - токсичных, агрессивных, радиоактивных и прочих веществ. Подобное загрязнение происходит из-за технического несовершенства транспортных средств или некачественного топлива. Комплексный подход отличается от традиционного тем, что дополнительно учитывает загрязнение биосферы или ее изменение в результате транспортного строительства и эксплуатации транспортных предприятий, к которым необходимо отнести ремонтные заводы, депо, базы, гаражи, доки, карьеры, заправочные станции, шпало - пропиточные и асфальтовые заводы, вокзалы, аэропорты и другие постоянные сооружения, включая и транспортные поселки.
Во многих странах, и, в первую очередь, индустриально раз ( витых и густонаселенных, нарастает загрязнение поверхности
Земли (включая и плодородные почвы) механическими примесями в виде золы, пыли, шлаков, некондиционных строительных материалов, пустой породы, извлекаемой при добыче минеральных строительных материалов. Такое загрязнение особенно велико в районах размещения крупных транспортных узлов и про f. мышленных предприятий. Большие площади земли заняты свалками с отходами производства и быта.
Задачу снижения загрязнения атмосферы нужно рассматривать применительно к стационарным транспортным предприятиям и к подвижным транспортным средствам. Обе задачи имеют свою специфику, и если по отношению к транспортным предприятиям пути решения близки или совпадают с направлением реализации задачи в промышленности, то для подвижных транспортных средств разрабатываются свои мероприятия, в результате осуществления которых обеспечивается снижение количества выбросов вредных веществ, загрязняющих окружающую среду.
В настоящее время во всем мире ведутся исследовательские и конструкторские работы, направленные на уменьшение и предотвращение загрязнения атмосферы транспортными средствами. Важное место в этих работах занимает установление норм токсичности отработавших газов, которое сводится обычно к опре-делению весового содержания (в единице объема отработавших газов или на 1 км пробега автомобиля) оксида углерода СО, оксидов азота NOx и углеводородов СИ.
В России среднесуточные предельно допустимые концентрации СО, NOx и СН в атмосфере утверждены в качестве государственного стандарта и составляют 1; 0,085; 0,035 мг/м3 соответственно [76]. Регламентируется также дымность отработавших fa газов дизельных двигателей [4]. Что касается содержания серы (сернистых соединений) и свинца, то предельно допустимое содержание этих веществ ограничивается стандартами на топливо.
Нормы токсичных веществ в отработавших газах автомобилей установлены во многих странах, причем сопоставление их свидетельствует о большом разнобое. Это обстоятельство говорит о том, что задача установления научно обоснованных норм остается еще далеко неразрешенной.
Общая тенденция состоит в том, чтобы ужесточать нормы содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателей. Однако на современном этапе развития науки и техники приходится считаться с экономическими и техническими возможностями создания таких двигателей, которые могли бы удовлетворять все более жестким требованиям.
Что касается загрязнения воздуха со стороны других видов транспорта, то здесь проблема имеет меньшую остроту, поскольку транспортные средства этих видов не концентрируются непосредственно в городах. Так, в крупнейших железнодорожных узлах все движение переведено на электротягу, и лишь на маневровой работе заняты единичные тепловозы. Речные и морские порты, как правило, размещены за пределами жилых кварталов городов, а движение судов в районах портов практически незначительно. Аэропорты отстоят от городов на 20 - 40 км. Большие открытые пространства над аэродромами, как и над речными и морскими портами, не создают опасности высоких концентраций токсичных веществ, выделяемых двигателями. В научно-техническом аспекте данная проблема здесь менее актуальна ввиду того, что и железнодорожный, и морской, и речной, и современный воздушный транспорт почти не используют карбюраторных бензиновых двигателей. На всех видах транспорта проводится систематическая работа по предотвращению загрязнения атмосферы ядовитыми веществами, что имеет огромное значение для здоровья людей
Наибольшего внимания ученых, конструкторов и инженеров требует автомобильный транспорт, который вносит подавляющую долю загрязнений в атмосферу вообще и главным образом в пунктах скопления людей (городах).
Одним из важнейших направлений борьбы за сохранение чистоты воздушного бассейна следует признать поиск более «чистого» топлива для транспортных двигателей. В этом отношении наряду с кардинальными предложениями делаются попытки создания присадок и примесей к обычному топливу, которые могли бы снизить токсичность отработавших газов автомобилей.
Кинетический механизм образования оксидов азота
Обобщение имеющихся данных позволяет заключить, что с увеличением коэффициента избытка воздуха а степень превращения (рп) азота топлива NT в топливные оксиды NOTx, возрастает. С увеличением содержания NT значения f5n уменьшается и тем значительнее, чем меньше концентрация кислорода в реакционном объеме камеры сгорания [10, 58, 60, 61, 75].
Наблюдаются и отклонения от этого правила, например, рециркуляция ОГ снижает термическую составляющую NOx, но не влияет на рп , двухступенчатое сгорание снижает обе составляющие, впрыск воды в КС газовой турбины снижает только термическую составляющую и даже несколько повышает значение /? Из схемы реакций аминного механизма видно, что суммарный процесс выделения NO определяется двумя конкурирующими стадиями: образованием оксида азота и образованием молекулярного азота. Для восстановительной зоны реакции (богатые смеси) вторая стадия является преобладающей. При этом существенный вклад вносят реакции (2.10). Отсюда следует принцип организации процесса сжигания высокоазотистых топлив, обеспечивающий снижение уровня выбросов NOx: процесс горения топлива должен иметь стадию высокотемпературного нагрева топлива в восстановительной среде либо за счет сжигания богатых смесей или за счет подвода тепла от внешнего источника.
Анализ рассмотренных основных механизмов образования всех трех групп оксидов азота — термических топливных и быстрых показал, что при сравнении результатов расчета эмиссии оксидов азота по различным механизмам, расширенный механизм образования в цилиндре двигателя оксидов азота обладает более высокой подвижностью, позволяет наиболее достоверно оценивать уровни выбросов оксидов азота с отработавшими газами.
Кинетический механизм образования всех трех групп оксидов азота с учетом влияния азотосодержащих соединений приведен в табл. 2.1. Ниже каждого кинетического уравнения реакции, например, для реакции 4 под номером 5 приведена константа скорости обратной реакции. В графе "источник " литературы символ "Р" означает, что константа скорости обратной реакции вычислена по значению константы равновесия.
Экспериментальное определение свойств испытываемых топлив
В процессе проведения эксперимента по влиянию азотосодер-жащих соединений топлива на процесс образования оксидов азота определялся элементарный состав, потребное количество воздуха для полного сгорания одного килограмма смесевого топлива и других параметров смеси основного топлива с добавками азо-тосодержащих соединений типа аминобензола (C6H5NH2), пиридина (СбН51Ч), нитробензола (C6H5N02), и т.п. с обобщенной химической формулой CnHmNfcOi., где п, т, к, I — количество атомов С, Н, N, О соответственно.
Важнейший фактор, от которого зависят технико - экономические показатели работы дизелей сельскохозяйственных машин — это качество применяемого топлива. Поэтому топливо должно обладать определенными эксплуатационными свойствами, которые регламентируются численными значениями его физико - химических показателей основными из которых являются плотность, вязкость, теплота сгорания, температура вспышки, цета-новое число и др. Так как в процессе исследований менялся качественный состав топлива то необходимо сравнить основные физико - химических показатели смесевого и стандартного топлива.
Определение плотности топлива необходимо для выявления мощностных, экономических и экологических показателей работы двигателя, а также для учета расхода нефтепродуктов при эксплуатации двигателей сельскохозяйственных машин.
Плотность нефтепродуктов измеряется нефтеденсиметрами при различных температурах, затем приводится к температуре 20С, которая принята за стандартную при оценке плотности нефтепродуктов.
Для определения плотности испытываемых топлив использовался нефтеденсиметр представляющий собой стеклянный пустотелый поплавок, внизу которого находится балласт, а сверху -тонкая трубка со шкалой для плотности и внутренним термометром для определения температуры топлива во время испытания. Абсолютная плотность испытываемых топлив колеблется в пределах 820... 860 кг/м3
В стеклянный цилиндр (рис. 3.1) наливают испытуемый нефтепродукт, температура которого может отклоняться от температуры окружающей среды не более чем на ±5С.
Чистый и сухой нефтеденсиметр медленно и опускают в нефтепродукт, держа его за верхний конец. Во избежание повреждения нефтеденсиметр вводят до дна цилиндра или до погружения всей шкалы, а затем убирают руку.
После того как нефтеденсиметр установится, и прекратятся его колебания, снимают показания по верхнему краю мениска. При отсчете глаз должен находиться на уровне мениска, а нефтеденсиметр не должен касаться стенок цилиндра.
Одновременно с отсчетом показания по шкале нефтеденсимет-ра устанавливают температуру нефтепродукта.
При отсчете по шкале нефтеденсиметра получают плотность нефтепродукта при температуре испытания.
Результаты опытов по определению плотности дизельного (ДТ) и смесевого (СТ) топлив приведены соответственно в табл. 3.9 и 3.10.
Уравнения (3.13 - 3.16) с достаточной для практических целей точностью описывают результаты опытов. Коэффициенты множественной регрессии между опытными и теоретическими данными находятся в пределах 0,984... 0,99. Поэтому эти уравнения могут быть рекомендованы к практическому использованию в исследованном диапазоне температур до 80С, характерной для условий работы топливной аппаратуры дизелей.
