Введение к работе
Актуальность темы. Безопасность эксплуатации автомобильного транспорта сегодня в значительной степени определяется одновременно экологической эффективностью и противопожарной устойчивостью топливно-каталитических систем (окислительно-восстановительных нейтрализаторов и керамических сажевых фильтров отработавших газов с электронным регулированием состава топливовоздушной смеси по сигналам -зондов и процессов регенерации), которыми стали оснащаться транспортные средства (ТС) для удовлетворения международных требований Евро-3, …, Евро-6 в соответствии с Правилами №№ 83 и 49 ЕЭК ООН, а также Техническим регламентом о безопасности колесных транспортных средств, утвержденного Постановлением Правительства РФ №720 от 10 сентября 2009 года.
В последние годы по разного рода причинам, например, конструктивным недоработкам, неудовлетворительного качества топлива, нарушениях правил эксплуатации или технического обслуживания, участились случаи возникновения, так называемых, аварийных (по эффективности обезвреживания ОГ, а также пожарной опасности) режимов работы топливно-каталитических систем (ТКС), при которых они становятся источниками повышенного выброса в окружающую среду СО, СnНm (углеводородов), NOх (окислов азота), БП (С20Н12), РМ (частиц), а также воспламенения ТС, что является причиной их массового отзыва заводами.
С научно-технической точки зрения, возникновение данной мировой проблемы обусловлено чрезвычайно высокой сложностью электронно-управляемых ТКС и недостаточной изученностью, как физико-химических процессов катализа, так и возможностей технического диагностирования аварийных режимов работы ТКС новейших конструкций применительно к реальным условиям эксплуатации.
Актуальность решения данной проблемы определила формирование научной идеи, выбор темы, обоснование объекта, предмета, цели и задач диссертационного исследования.
Цель исследования - научное обоснование методики прогнозирования аварийных режимов эксплуатации ТКС автомобильного транспорта, способных привести к потере эффективности и пожарной опасности их эксплуатации, путем теоретического и экспериментального исследования физико-химической (кинетической) природы возникновения и технического проявления неисправностей (отказов) ТКС в условиях рядовой эксплуатации.
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач.
1. Разработка общей методики диссертационного исследования.
2. Обоснование уточненной физико-химической и математической модели процесса конвертирования применительно к блочным нейтрализаторам на ленточных металлических носителях с определением гипотез вероятного развития кинетических процессов, определяющих как эффективность катализа, так и разогрев матриц нейтрализатора ОГ включая электроразогрев.
3. Проведение экспериментально-расчетных и экспертных исследований на выбранных объектах для подтверждения теоретических гипотез уточненной модели процесса катализа в блочных каталитических нейтрализаторах (КН) ОГ.
4. Обоснование критериев, показателей и методики диагностирования аварийных режимов эксплуатации КН автотранспорта с использованием анализа состава ОГ применительно к существующей инструментальной базе контроля их безопасной эксплуатации.
5. Определение направлений по расширению применимости разработанной методики прогнозирования эффективности и пожарной безопасности КН.
Объект исследования – электронно-управляемые ТКС, используемые для нейтрализации (обезвреживания) ОГ современного автомобильного транспорта, которые при аварийных режимах работы, могут привести к повышению экологического и пожарного риска.
Предмет исследования – определение возможностей инструментальной диагностики аварийных (по эффективности и пожарной опасности) режимов работы новейших конструкций автомобильных ТКС на основе моделирования физико-химических явлений (процессов) гетерогенного катализа, протекающих в блочных нейтрализаторах ОГ применительно к реальным условиям эксплуатации.
Методы исследования: физико-химический (кинетический) и математический анализ закономерностей нейтрализации ОГ в КН блочной конструкции; экспериментально-расчетное и экспертное исследования характеристик эффективности и тепловой напряженности ТКС в лабораторных стендовых условиях по оригинальным и стандартизованным отечественным и международным методикам.
Научная новизна диссертации определяется:
- новой методикой расчетного прогнозирования эффективности обезвреживания ОГ, а также пожарной опасности ТКС на основе уточненной физико-химической модели процессов, протекающих в каталитических реакторах блочной конструкции;
- обоснованной теоретическими, а также экспериментально-расчетными исследованиями гипотезой доминирования внутри диффузионной модели кинетических процессов в блочном реакторе, что позволяет соответствующим образом конструировать эффективные и пожаробезопасные контактные аппараты;
- обоснованными диагностическими параметрами контроля аварийных (по эффективности и пожарной опасности) режимов работы ТКС по составу ОГ и алгоритмом их инструментально-расчетной оценки;
- научными рекомендациями по расширению применимости (внедрения) разработанной методики прогнозирования аварийных (по эффективности и пожарной опасности) режимов работы ТКС с учетом электроразогрева КН применительно к действующим системам контроля безопасности ТС в России и за рубежом.
Практическая значимость. Практическая значимость результатов исследования определяется соответствием уровня предлагаемой методики прогнозирования аварийных (по эффективности обезвреживания ОГ, а также пожарной опасности) режимов работы ТКС требованиям международных Правил №№ 83 и 49 ЕЭК ООН, а также Технического регламента о безопасности КТС, утвержденного Постановлением Правительства РФ №720 от 10 сентября 2009 года; доступностью разработанной методики к применению в инженерной практике, что подтверждается актами внедрения результатов.
Достоверность научных результатов. Результаты диссертации обоснованы применением фундаментальных широко апробированных в России и за рубежом теоретических представлений о процессах гетерогенного катализа. Достоверность новых теоретических гипотез и научных результатов подтверждена данными экспериментально-расчетных исследований на материальных объектах ТКС и ТС, а также их сопоставлением с материалом исследований других известных отечественных и зарубежных авторов и научных школ; использованием современных аттестованных и поверенных газоанализаторов и контрольно-измерительных приборов с оценками погрешностей измерения и расчета соответствующих параметров.
На защиту выносятся следующие основные результаты диссертационного исследования:
1. Новый подход к решению проблемы обеспечения эксплуатационной безопасности ТКС автотранспорта путем изучения физико-химической природы, моделирования и диагностирования (прогнозирования) аварийных режимов протекания гетерогенного катализа, способных привести к возгоранию ТС и потере эффективности КН в эксплуатации.
2. Уточненная, на основе фундаментальных представлений гетерогенного катализа, аналитическая модель физико-химических процессов, протекающих в системе «ДВС - КН». Модель позволяет на общей научной основе (стратегии) по новому решать проблему повышения эффективности и обеспечения пожарной безопасности ТКС современных ТС.
3. Методика расчетного прогнозирования эффективности обезвреживания ОГ, а также опасности возгорания теплонапряженных ТКС на основе уточненной физико-химической модели процессов, протекающих в каталитических реакторах блочной конструкции, которая включает следующие новые научные элементы.
3.1. Результаты экспериментально-расчетных исследований на двигателе с КН, подтверждающих (доказывающих) гипотезу доминирования внутридиффузионной модели кинетических процессов в блочных КН, что имеет принципиальное значение в вопросах конструирования и диагностирования безопасных ТКС.
3.2. Уточненная на основе данных экспериментально-расчетного исследования физико-аналитическая модель и инженерная методика расчета (прогнозирования) эффективности и тепловой напряженности процесса катализа в блочном КН.
3.3. Расширение инженерной методики расчета в область прогнозирования допустимого (пожаробезопасного) автономного электрического разогрева матриц КН для обеспечения повышения экологической эффективности их работы в реальных условиях эксплуатации (низкие температуры ОГ на малых и средних нагрузках работы двигателя).
4. Результаты экспертно-аналитических исследований причин и последствий аварийных (по экологической и пожарной опасности) режимов эксплуатации ТКС новейших конструкций.
5. Расширение применимости разработанной методики в область инструментального прогнозирования (технического диагностирования) аварийных режимов эксплуатации ТКС на основе анализа состава ОГ. Обоснование диагностических критериев, параметров и характеристик, адаптированных к стандартным технологиям диагностики конструктивной безопасности двигателей ТС в эксплуатации по ГОСТ Р 51709-2001, ГОСТ Р 52033-2003 и ГОСТ Р 52160-2003.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на второй международной научно-практической конференции «Измерения в современном Мире – 2009» (Санкт-Петербург, ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», Дом ученых в Лесном, 8-10 декабря 2009 г.); научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 23-24 апреля 2008 г.); на третьем международном конгрессе «Безопасность на дорогах ради безопасности жизни» (Санкт-Петербург, Таврический дворец, 29 октября 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных трудов, из них 1 научный доклад и 6 научных статей, 2 из которых, – в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК РФ (по безопасности и транспортной отрасли).
Реализация результатов исследования. Результаты выполненного исследования используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России по курсу «Надежность технических систем и техногенный риск»; автомобильно-дорожном факультете ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по курсу «Экология», внедрены в ФПС МЧС России Костромской области.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 165 страниц. Она содержит 11 таблиц и 27 рисунков. Список использованной литературы включает 131 наименование, 37 из которых относятся к зарубежным источникам.
