Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы и ее анализ. концепция, цель и задачи исследования
1.1 Общая характеристика контроля автотранспорта как источника загрязнения окружающей природной среды и потребителя ее энергетических ресурсов 18
1.2 Современные представления о природе образования и способах уменьшения вредных выбросов применительно к автомобильным ДВС 27
1.2.1 Воздействие основных параметров организации рабочего процесса на образование вредных веществ в цилиндрах ДВС 27
1.2.2 Воздействие состава топлива на токсичность и дымность отработавших газов ДВС 35
1.2.3 Взаимосвязь конструктивного исполнения ДВС с эмиссией вредных веществ в атмосферу 47
1.2.4 Методы обезвреживания отработавших газов ДВС в гозовыпускном тракте 51
1.3 Анализ возможностей для рационального использования тепла, сбрасываемого в окружающую среду 55
1.4 Выводы, концепция, цель и задачи диссертационного исследования 59
ГЛАВА 2 Теоретический анализ доминирования факторов экологического загрязнения окружающей среды при эксплуатации двс автотранспорта
2.1 Оценка загрязняющих факторов двигателей автотранспортных средств 64
2.2 Исследование влияния технического состояния дизельного ДВС на дымность отработавших газов 77
2.3 Влияние процессов газообмена на состав рабочей смеси и отработавших газов ДВС 81
2.4 Расчет реакции горения углеводородных топлив и их влияние на состав ОГ 91
2.4.1 Материальные балансы при сжигании топлив 91
2.4.2 Образование токсичных веществ при горении топлива 97
2.5 Выводы по главе 103
ГЛАВА 3 Теоретические основы подготовки, формирования и применения многокомпонентного топлива для двс применительно к условиям эксплуатации
3.1 Расчет состава продуктов сгорания при использовании в ДВС многокомпонентного топлива 105
3.2 Применение испарителя в топливной системе ДВС 119
3.3 Моделирование движения потока по впускному коллектору 127
3.4. Моделирование работы установки газодинамических испытаний 139
3.5 Выводы по главе 144
Глава 4 Научно-техническое обоснование систем нейтрализации и утилизации теплоты отработавших газов двс при использовании многокомпонентного топлива
4.1 Исследование влияния применения многокомпонентного топлива на каталитическую нейтрализацию отработавших газов ДВС 146
4.1.1 Модель каталитического нейтрализатора 146
4.1.2 Процессы изотермического дожигания продуктов неполного сгорания 157
4.1.3 Адиабатный процесс каталитического превращения 164
4.1.4 Выбор основных параметров активной зоны нейтрализаторов 168
4.2 Использование теплоты отработавших газов для подготовки и формирования многокомпонентного топлива 172
4.2.1 Анализ работоспособности отработавших газов 172
4.2.2 Расчет эффективности работы испарителя ДВС 179
4.3 Выводы по главе 188
ГЛАВА 5 Экспериментальное обоснование концептуальных положений методологии повышения экологической безопасности ДВС на стендах и в эксплуатации
5.1 Планирование эксперимента 190
5.2 Испытательные стенды, оборудование и аппаратура 194
5.2.1 Испытательный стенд индицирования ДВС 196
5.2.2 Стенды для испытания каталитических нейтрализаторов,
испарителя и оценки потерь теплоты ОГ 199
5.2.3 Установка для газодинамических испытаний, приборы 203
5.3 Оценка погрешности определения параметров 205
5.3.1 Измерение параметров индикаторного процесса 205
5.3.2 Измерение теплоты отработавших газов 207
5.4 Методика проведения экспериментов 209
5.4.1 Индицирование ДВС 209
5.4.2 Процесс утилизации теплоты ОГ 211
5.4.3 Испытание нейтрализаторов 212
5.4.4 Работа ДВС с испарителем 214
5.4.5 Газодинамических испытаний впускного и выпускного трактов 215
5.5 Экспериментальные исследования применения многокомпонентного топлива на примере дизеля 217
5.5.1 Сравнительные исследования параметров рабочего процесса и анализ индикаторного КПД при использовании многокомпонентных топлив 217
5.5.2 Исследование экологических показателей ДВС при работе на многокомпонентных топливах 226
5.6 Оценка эффективности работы каталитических нейтрализаторов 234
5.7 Ресурс каталитических нейтрализаторов с пористыми проницаемыми блоками 253
5.8 Утилизация теплоты отработавших газов 257
5.9 Выводы по главе 263
ГЛАВА 6 Практическая реализация разработок. экономический эффект от их внедрения в эксплуатации
6.1 Конструктивные решения, повышающие экологические показатели 268
6.1.1 Совершенствование топливной системы 268
6.1.2 Нейтрализация отработавших газов 274
6.1.2.1 Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты ОГ 274
6.1.2.2 Каталитический нейтрализатор отработавших газов 277
6.1.2.3 Многоступенчатый каталитический нейтрализатор дизеля 280
6.1.2.4 Многоступенчатый каталитический нейтрализатор 282
6.2 Экономический эффект результатов работы 286
6.2.1 Оценка экологического загрязнения окружающей среды ДВС автомобилей 286
6.2.2 Анализ мероприятий направленных на снижение вредных
веществ в ОГ 288
6.2.3 Расчет экономического эффекта от уменьшения загрязнения окружающей
среды 298
6.3 Выводы по главе 306
Общие выводы 308
Литература
- Общая характеристика контроля автотранспорта как источника загрязнения окружающей природной среды и потребителя ее энергетических ресурсов
- Исследование влияния технического состояния дизельного ДВС на дымность отработавших газов
- Расчет состава продуктов сгорания при использовании в ДВС многокомпонентного топлива
- Исследование влияния применения многокомпонентного топлива на каталитическую нейтрализацию отработавших газов ДВС
Введение к работе
Ежегодно в атмосферу нашей планеты более 500 млн. автомобилей, самолетов и других транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) выбрасывают порядка 300 млн. т оксида углерода (СО), 60 млн. т углеводородов (CnHm), 30 млн. т оксидов азота (NOx). Дальнейший рост урбанизации и огромное увеличение парка транспортных средств с ДВС порождает опасность значительного загрязнения воздушного бассейна, в первую очередь густонаселенных районов. Поэтому проблема охраны окружающей среды столь же важна, как обеспечение человечества продуктами питания или энергией. Она приобретает острый глобальный характер, привлекая внимание мировой общественности, государственных органов, международных организаций.
В последние десятилетия ведется активная работа в направлении снижения токсичности отработавших газов (ОГ) автомобилей с целью снижения загрязнения воздушного бассейна населенных пунктов. В этой связи проводятся исследования посвященные изучению механизма воздействия транспортных средств на окружающую среду в процессе реализации их "жизненного цикла". Для этого рассматриваются энергетические затраты, объемы выбросов вредных веществ, потребление природных ресурсов, связанных с добычей сырья, изготовлением автомобилей, их эксплуатацией, ремонтом, обслуживанием и прочими факторами экологического загрязнения.
Поэтому целью большинства исследований является изучение и разработка эффективных технологических процессов и конструкций автомобилей, обеспечивающих повышение экологических показателей, при этом в качестве основной характеристики исследований используются величины выбросов, затраты энергии и материалов.
Исследования, направленные на снижение токсичности и повышение эксплуатационной экономичности транспортных ДВС, важны для решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнения и потому актуальны.
Разработка новых моторных топлив, в том числе синтетических, изыскание эффективных и надежных систем нейтрализации вредных составляющих ОГ, а также повышению полноты сгорания топлива в двигателях, особенно на неустановившихся режимах, остаются наиболее приоритетными направлениями изысканий инженеров, конструкторов, ученых.
С конца 70 - х и в начале 80-х годов прошлого столетия, параллельно с внедрением бифункциональных каталитических нейтрализаторов и систем электронного дозирования топлива в замен этиловой жидкости стали применять антидетанационные присадки в виде различных металлоорганических, азотосодержащих и других элементоорганических соединений. Затем - окси-ганатные кислотосодержащие соединения (спирты, эфиры и их производные) и т.д. Однако названные присадки далеко не идеальны, как в отношении экологии, так и негативного влияния на двигатели. В этой связи в мировой практике уделяется внимание внедрению технологий производства автомобильных бензинов с высокооктановыми компонентами.
Снижение токсичности и повышение экономичности двигателей транспортных средств достигаются также улучшением качества регулирования состава топ-ливно-воздушной смеси, в первую очередь на неустановившихся режимах, характеризующихся повышенными удельными расходами топлива и выбросами вредных веществ с ОГ. Эффективным методом воздействия на рабочий процесс двигателя с целью снижения токсичности ОГ является совершенствование системы то-пливоподачи и ее управление в соответствии с режимом работы двигателя, для чего применяются системы управления топливоподачи.
В России 70 - 80-х годов (СССР) не уделялось должного внимания широкомасштабному внедрению систем термокаталитической нейтрализации ОГ. В связи с неблагополучным состоянием окружающей среды в Российской Федерации органы государственной власти проводят политику улучшения экологических показателей автотранспортных средств. Известно, что одним из основных методов обезвреживания ОГ ДВС автомобилей является их катали-
тическая нейтрализация, осуществляемая путем пропускания ОГ через каталитический нейтрализатор (КН). В настоящее время в большей части применяются окислительно-восстановительные КН, обеспечивающие нейтрализацию одновременно по трем компонентам - СО, CnHm, NOx.
Шум является одним из наиболее распространенных и агрессивных факторов среды, воздействующих на здоровье человека. Основным источником шума в жилой среде является автомобильный транспорт, шум от которого на примагист-ральной территории наблюдается 15... 18 ч в сутки. Акустический дискомфорт от автотранспортного шума испытывают 30.. .50 % городского населения.
Исследователи акустических характеристик современного автомобиля выделяют ряд источников его шума, основными из которых являются: двигатель, впускное и выпускное устройства, вентилятор системы охлаждения, шины и элементы трансмиссии. Определяющее значение при совершенствовании акустических качеств автомобиля отводится воздействию на шум двигателя. Рациональный путь борьбы с шумом автомобильных двигателей связывают с совершенствованием конструкции двигателя, его отдельных узлов, с применением дополнительных средств звукоизоляции и звукопоглащения.
Задачи рационального расходования природных ископаемых энергоресурсов год от года становится все актуальней. Основными потребителями топ-лив нефтяного происхождения являются ДВС, в том числе поршневые. Несмотря на длительный период развития поршневых ДВС, их коэффициент полезного действия (КПД) довольно низок. Одна из причин - значительные потери с ОГ теплоты, образовавшихся в цилиндрах двигателей в результате термохимических реакций окисления топлива. До настоящего времени наибольшее внимание в процессе совершенствования ДВС уделялось достижению максимальной мощности, малой массы и размеров двигателя, минимальных производственных затрат. Теперь на первый план как важнейший критерий оценки двигателя выступает минимизация потребления им топлива. Снижения
потребления топлива достичь непросто, и, кроме того, оно может оказывать неблагоприятное влияние на другие параметры двигателя.
Перспективы развития поршневых ДВС традиционных схем предопределяют, что резервы их дальнейшего совершенствования по многим направлениям исчерпываются, в том числе и по такому, как повышение топливной экономичности за счет совершенствования процессов смесеобразования, горения, газообмена и т.д. поэтому весьма перспективным становится направление по использованию теплоты ОГ с целью получения из нее дополнительной работы, что в конечном итоге приведет к повышению топливной экономичности и эффективного КПД. Задача получения работы из теплоты ОГ может быть решена с помощью ряда утилизационных систем, среди которых на автомобильной технике наиболее перспективны паросиловые установки, термоэлектрогенераторы.
Каждый из таких вопросов, как снижение токсичности ОГ, уменьшение уровня шума и регенерация теплоты ОГ, с которой выбрасывается в атмосферу до 40% энергии сжигаемого топлива, является самостоятельной сложной и весьма актуальной научно-технической проблемой, напрямую связанной с технико-экологическими показателями автомобиля и требующей для своего решения специальных, увязанных между собой подходов.
На современном этапе развития автотранспортной отрасли практически отсутствуют методики расчета экологических показателей автомобиля, учитывающие конструктивные, регулировочные, эксплуатационные и другие параметры. Во многих имеющихся исследованиях рассматривается улучшение одного экологического параметра или показателя, например, снижение концентрации оксида углерода в ОГ, либо оксидов азота. При этом не учитывается то, что их содержание в ОГ взаимосвязано, добиваясь снижение одного компонента увеличивают второй и наоборот.
В предлагаемой диссертационной работе обосновываются пути повышения показателей экологической безопасности двигателя автомобиля на основе совершенствования рабочего процесса путем модернизации его конструкции, систем и
элементов; установкой дополнительных устройств, обеспечивающих снижение содержания основных токсичных компонентов в ОГ, позволяющих осуществлять регенерацию теплоты ОГ. В качестве базы для теоретических и экспериментальных исследований положены отечественные дизельные двигатели.
Актуальность темы. На современном этапе развития общества несоизмеримо с другими отраслями вырос вклад автомобильного транспорта в загрязнение окружающей среды. Правительство Российской Федерации своим Постановлением от 12.10.2005г. № 609 утвердило специальный технический регламент "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ".
Последние десятилетия XX века отличались небывалой динамичностью научно-технического прогресса. Научные открытия, современные техника и технология имеют интернациональный характер и быстро распространяются по всем регионам, однако любому позитивному процессу сопутствуют и негативные явления. Одним из таких последствий стало обострение противоречий, возникающих между необходимостью охраны природы и интенсивным использованием ее ресурсов. Экспериментально подтверждены необратимые изменения значений параметров окружающей среды, что все чаще приводит к экологическим кризисам и катастрофам на локальном уровне (фотохимический смог, кислотные осадки, другие виды загрязнений) и в глобальном масштабе (образование парникового эффекта, разрушение озонового слоя в стратосфере).
Автомобильные двигатели дают значительное количество выбросов, создающих химическое и тепловое загрязнение окружающей среды, они служат также источником шума и вибрации. Известно, что около 60% загрязнений воздушного бассейна большинства стран вызвано работой транспорта. До недавнего времени в совершенствовании рабочего процесса ДВС наибольшее внимание уделялось мощностным и топливно-экономическим показателям. На coil
временном этапе развития автомобильных ДВС на первый план выступают критерии, характеризующие их отрицательное воздействие на окружающую среду, требования снижения концентрации токсичных компонентов в ОГ, уменьшения уровней шума и вибрации, а также теплового излучения. Решение каждого из этих вопросов является самостоятельной, сложной и весьма актуальной научно-технической проблемой, требующей для своего решения в условиях эксплуатации новых научных подходов.
Задача рационального расходования природных ископаемых энергоресурсов год от года становится все актуальней. Несмотря на длительный период развития ДВС, их коэффициент полезного действия (КПД) остается довольно низким. Одна из причин - значительные потери теплоты с ОГ. Снижения потребления топлива достичь непросто, кроме того, это может оказать неблагоприятное влияние на другие параметры двигателя, например, динамические.
На современном этапе развития ДВС перспективы традиционных схем предопределены тем, что резервы их дальнейшего совершенствования по выше отмеченным проблемным направлениям исчерпываются, в том числе и по такому, как повышение топливной экономичности. Сегодня и в ближайшей перспективе конкурентоспособность поршневых автомобильных ДВС может эффективно обеспечиваться новыми комбинированными конструктивно-технологическими решениями, основанными как на использовании известных традиционных их преимуществ, так и альтернативных технологиях: аккумулирования тепла, вторичного его использования в системах смесеобразования альтернативных смесевых горючих, в теплоутилизационных схемах, каталитического теплового конвертирования ОГ в системах газовыпуска, что в конечном итоге приводит к повышению топливной экономичности, эффективного КПД, снижению дымности и токсичности отработавших газов.
Однако реализация таких концептуальных конструктивно-технологических подходов, основанных на сочетании (комбинировании) традиционными и новейшими технологиями, достигших сегодня достаточно вы-
сокого технического уровня, требует качественно нового научно-прикладного осмысления в теории и практике эксплуатации автомобильных ДВС.
В настоящей диссертационной работе предлагается новый обобщенный научно обоснованный многофакторный подход решения обозначенных проблем применительно к условиям эксплуатации автомобильных ДВС, обеспечивающий комплексное снижение отрицательного воздействия транспортных средств на окружающую среду при одновременном улучшении их топливно-экономических показателей. На основе анализа и системного подхода к обозначенным проблемам сформулированы научные принципы совершенствования конструкции и технического состояния двигателей автотранспортных средств. Сформулированы практические рекомендации по повышению экологической безопасности и эффективности работы существующих и имеющихся в эксплуатации автомобильных двигателей на основных режимах работы. Разработаны методики оценки их экологической, эксплуатационной и экономической эффективности.
Объекты исследования: новые и находящиеся в эксплуатации конструкции автомобильных поршневых двигателей внутреннего сгорания, модернизированные дополнительным оборудованием в системах впуска и выпуска, использующие многокомпонентное топливо на основе спиртовых добавок, каталитические нейтрализаторы и утилизаторы тепловой энергии ОГ.
Предмет исследования: комбинированные рабочие процессы, сочетающие новые концептуальные принципы формирования многокомпонентного топлива, нейтрализации отработавших газов и утилизации их тепловой энергии с целью повышения экологической безопасности автомобильных ДВС и экономии расхода топлива в эксплуатации.
Научная новизна исследования. На основании анализа доминирования факторов загрязнения окружающей среды транспортными средствами обоснована новая методология повышения экологической безопасности поршневых ДВС в эксплуатации; разработана методика расчета многокомпонентного топ-
лива, для формирования которого обосновано применение испарителя использующего тепловую энергию ОГ; созданы математические модели и инженерные методики расчета основных параметров впускных каналов ДВС с целью повышения коэффициента наполнения цилиндров; обоснованы и созданы новые конструкции каталитических нейтрализаторов и утилизаторов тепловой энергии ОГ; получены новые результаты экспериментальных исследований и опыта внедрения систем формирования многокомпонентного топлива, нейтрализации и утилизации тепловой энергии ОГ применительно к условиям эксплуатации.
На защиту выносятся:
- новая методология, включающая исследование и прогнозирование
свойств экологической безопасности автотранспортных средств в эксплуата
ции на основе анализа рабочего процесса поршневого двигателя, функциони
рующих в рамках замкнутой динамической системы «автомобиль - водитель -
окружающая среда» и сочетающая одновременную комплексную реализацию
рациональных, с точки зрения экологической продуктивности, новых конст
руктивно-технологических решений;
расчетная методика формирования топливной смеси, в том числе многокомпонентной, включающая распыливание, испарение топлива и процессы тепло - массопередачи, определяющие динамику смесеобразования;
методика анализа состава продуктов сгорания топлива, разработанная на основе термодинамического расчета, показывающая влияние свойств топлива на токсичность ОГ;
- методика определения рациональных геометрических параметров и
конфигурации впускного трубопровода, разработанная по математической
модели формирования траектории движения потока при его поступлении в ци
линдры ДВС;
термодинамическая модель расширения цикла рабочего процесса ДВС в область увеличения доли полезно использованного тепла за счет вторичной утилизации остаточной энергии;
модернизированная конструкции ДВС, обеспечивающая его работу по новому термодинамическому циклу путем установки новых конструктивных элементов систем впуска и выпуска ДВС, позволяющих формировать многокомпонентный состав топлива и нейтрализовать токсичные компоненты отработавших газов.
Практическая значимость и реализация работы:
Выполненные исследования диссертационной работы согласуются с Постановлением Правительство Российской Федерации от 12.10.2005г. № 609, которым утвержден специальный технический регламент "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ" в части обеспечения рекомендуемых норм в ОГ ДВС автотранспорта. Предложенные в диссертации разработки позволяют посредством конструктивной модернизации систем ДВС обеспечить установленные требования на эксплуатируемых и вновь выпускаемых автомобилях.
Тематика диссертационной работы соответствует городской комплексной Программы «Здоровье Барнаула», утвержденной решением Барнаульской городской Думы 16.06.99 г., №401, в рамках которой разработаны:
рекомендации владельцам эксплуатирующим автотранспортные средства в отношении технического состояния подвижного состава, позволяющие улучшить городскую экологическую обстановку;
каталитические нейтрализаторы, обеспечивающие снижение токсичности ОГ и представляющие собой недорогие конструкции, доступные к производству на городских машиностроительных предприятиях.
3. Выполнена работа по оптимизации конструктивных параметров впу
скной системы двигателей многоцелевого назначения, для чего на основании
математической модели формирования траектории движения потока, при его всасывании в цилиндр, разработаны методика определения рациональных геометрических параметров и конфигурация впускного трубопровода. Результаты разработок приняты к внедрению на ОАО «Алтайдизель».
Разработаны методики определения термических свойств многокомпонентных топлив, анализа состава продуктов сгорания топлив, совершенствования цикла ДВС за счет увеличения количества теплоты, превращаемой в механическую работу, утилизации теплоты отработавших газов, процессов каталитической очистки ОГ. Результаты внедрены на ОАО «Барнаултрансмаш» для проведения научно-исследовательских и конструкторских работ при создании новых моделей дизелей.
Новизна конструктивных решений подтверждена патентами на изобретения:
а) Образцы каталитических нейтрализаторов (патенты № 2163300, №
2163675) и испарителя топлива (патент № 2168094), разработанные в ходе на
учных исследований, эксплуатируются на автомобилях автотранспортных
предприятий г. Барнаула: ЗАО «Автобаза № 1», ОАО «Автоколонна 1245».
б) Конструкторские разработки, созданные по изобретениям (патенты №
2119073, № 2156362, № 2153085), используются в Алтайском государственном
техническом университете им. И.И. Ползунова в научных исследованиях и
учебном процессе.
Основные положения диссертации представлялись на международных, всероссийских, региональных научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: Межвузовской научно-практической конференции с международным участием "Транспортные средства Сибири (состояние и проблемы)" (Красноярск, 1995); Межвузовской научно-технической конференции "Современные транспортные проблемы" (Харьков, 1996); Международной научной конференции "Проблемы безопасности транспортного средства" (Липецк, 1998); II, III и IV Международных научно-технических конференциях "Реше-
ниє экологических проблем в автотранспортном комплексе" (Москва, 1998, 1999, 2000); Международных заочных научных конференциях «Безопасность XXI века» (Санкт-Петербург, 1999, 2000); II Международной конференции "Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов" (Барнаул, 2000); I и II Международных научно-технических конференциях "Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств" (Пенза, 2000, 2002); Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири" Барнаул - 2003; Международной научно-практической конференции «Реконструкция - Санкт - Петербург - 2005; 52-й, 53-й, 55-й, 56-й, 57-й, 58-й научно-технических конференциях Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (Барнаул, 1994, 1995, 1997, 1998, 1999 и 2000).
Публикация. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии и 48 печатных работах, по результатам исследований получено 9 патентов на изобретения.
Общая характеристика контроля автотранспорта как источника загрязнения окружающей природной среды и потребителя ее энергетических ресурсов
Исторический путь человеческого развития неразрывно связан с процессами, происходящими в окружающей среде, с возрастающими масштабами потребления из нее ресурсов, загрязнением отходами, продуктами жизнедеятельности. Все происходит в тончайшем слое «жизненного пространства» - биосфере /67/.
Последние десятилетия отличаются небывалой динамичностью научно-технического прогресса. Научные открытия, современные техника и технология имеют интернациональный характер и быстро распространяются по всем регионам, однако любому позитивному процессу сопутствуют и негативные явления. Одним из таких последствий стало обострение противоречий, возникающих между необходимостью охраны природы и интенсивным использованием ее ресурсов. Реализация научно-технических достижений в различных областях человеческой деятельности сопровождается потреблением природных ресурсов и образованием значительного количества промышленных и бытовых отходов 191.
Экспериментально подтверждены необратимые изменения значений параметров окружающей среды, что все чаще приводит к экологическим кризисам и катастрофам на локальном уровне (фотохимический смог, кислотные осадки, другие виды загрязнений) и в глобальном масштабе (образование парникового эффекта, разрушение озонового слоя в стратосфере). Это, а также накопление данных, подтверждающих проявление распада генетических программ человека, другие проявления экологического кризиса, привело к тому, что в большинстве стран мира вопросы обеспечения экологического благополучия выходят за рамки принятия конкретных инженерно-технических программ и решений и все более приобретают социально - экономическое звуча ниє, формируют новые стереотипы поведения, нормы морали /67/.
В настоящее время загрязнение атмосферы стало неизбежной составной частью современной жизни. Основным источником загрязнения можно считать процессы горения, в результате которых водород и углерод топлива соединяются с кислородом, находящимся в атмосфере. Примеси, содержащиеся в топливе, слишком высокая или низкая температуры горения, неполное сгорание топлива приводят к образованию токсичных компонентов. Транспортные тепловые двигатели дают значительное количество выбросов, создающих химическое и тепловое загрязнение окружающей среды, они служат также источником шума и вибрации. Известно, что около 60 % загрязнений воздушного бассейна большинства стран вызвано работой транспорта
Транспорт имеет непосредственное отношение ко всем аспектам проблемы защиты природы, поскольку эта отрасль напрямую воздействует на окружающую среду через многомиллионный парк автомобилей, локомотивов, судов, самолетов, стационарных энергетических установок, транспортных предприятий.
Градостроительные методы улучшения качества среды направлены в основном на предотвращение распространения загрязнения от источников к человеку, а также на совершенствование планировочной структуры городов с целью уменьшения объема транспортной работы, плотной застройкой и приближением жилья к месту работы, торговым и культурным центрам.
Функционирование городской транспортной системы так или иначе замыкается на транспортном потоке. Большинство показателей экологической безопасности автомобиля в значительной степени определяется режимом его движения. В свою очередь режим движения зависит от параметров транспортного потока, дорожной сети, организации дорожного движения, следовательно, должным образом управляя процессом движения автомобилей, можно организовать поток с минимальным влиянием на окружающую среду.
На пространственное распределение аэрозольно-газовых токсикантов в приземном слое атмосферы большое влияние оказывают физические свойства атмосферы, магистралей, планировка и застройка жилых массивов. По данным исследований /123/, на территории города имеет место существенная пространственная неоднородность распределения загрязнений приземной атмосферы (Приложение 1 рис. 1.1...1.4), что ставит задачу учета микроклиматических особенностей крупных населенных пунктов при контроле за качеством атмосферного воздуха.
При всей кажущейся свободе выбора режимов движения транспортных средств (скорости и направления маневра) водитель в определенных условиях вынужден управлять автомобилем, подчиняясь законам всего потока. Речь идет, прежде всего, о городских условиях, характеризующихся, с одной стороны, большой концентрацией транспортных средств и соответственно значительной интенсивностью и плотностью движения, с другой - высокой плотностью населения, подвергающегося воздействию вредных экологических факторов.
Подход к транспортному потоку как к источнику загрязнения основан на том, что его воздействие на окружающую среду рассматривается как сумма воздействий одиночных автомобилей. Экологическая безопасность одиночного автомобиля определяется не только его конструкцией, но в значительной степени и режимом движения.
Основные исследования в области перспективных транспортных средств направлены на разработку силовых установок, энергия в которых преобразуется с минимальными потерями и загрязнением среды побочными продуктами, а также на использование в двигателях нетрадиционных видов топлива. В этих вопросах уже достигнуты определенные успехи, но пока предлагаемые решения по тем или иным причинам не могут конкурировать с традиционными силовыми установками /8/.
Безопасность транспортного средства для окружающей среды определяется не только совершенством конструкции, но и его техническим состоянием. Поэтому важным направлением оздоровления окружающей среды является поддержание в условиях эксплуатации надлежащего технического состояния узлов и агрегатов, влияющих на топливную экономичность автомобиля, выброс токсичных компонентов с ОГ, уровень шума, безопасность движения
Исследование влияния технического состояния дизельного ДВС на дымность отработавших газов
Идентификации причин в виде разрегулировки или отказов систем двигателя в том случае, если они сопровождаются изменением протекания рабочего процесса сгорания, может быть основана на том, что каждая конкретная причина и любая комбинация причин такого рода обязательно должна проявиться в составе ОГ также для нее (этой причине или комбинации причин) свойственном сочетании составляющих ОГ. Причем очевидно, что чем больше используется в анализе классифицирующих факторов - аргументов (составляющих ОГ), в каждом из которых причина проявляется только для ее свойственной функциональной зависимости, тем с большей надежностью будет производиться идентификация неисправностей.
С точки зрения оценки технического состояния двигателя АТС в условиях эксплуатации определенный интерес представляет режим свободного ускорения (СУ) /64/, что обусловлено рядом обстоятельств. Во-первых, на режиме СУ проявляются все отказы двигателя и топливной аппаратуры, связанные с нарушением рабочего процесса и, следовательно, изменением состава ОГ. Во-вторых, он сравнительно легко воспроизводится в условиях эксплуатации, имитируя кратковременную работу дизеля под нагрузкой и, в-третьих, по этим причинам он является тестовым при оценке дымности ОГ в ряде отечественных и международных стандартов /65/.
Реализация данного подхода применительно к идентификации отклонений регулировок топливоподачи может решаться в два этапа:
1) установить характер связи в форме множественных уравнений регрес сии основных регулировочных параметров топливной аппаратуры (ТА) gm, Рф, juf, впр, при их варьировании в пределах эксплуатационных отклонений по однофакторному плану, с составом ОГ (К, СО, NOx, СН, С02) на режиме СУ.
2) На основе математической модели разработать алгоритм распознания отклонений регулировок от нормированных значений параметров ТА, реали зуемых при помощи ЭВМ.
Выполненные с применением теории планирования многофакторных исследований эксперименты на дизеле Д-240 в режиме СУ позволили получить уравнения множественной регрессии в форме линейной и степенной моделей.
Средняя ошибка аппроксимации (в %): g : 0.114; Рф: 0.198; // : 0.0137; Qi n : 0.542; где gwi - установочное значение цикловой подачи топлива на номинальном режиме работы дизеля, мм3/цикл; Рф - установочное значение начального давления впрыскивания топлива, МПа; /л/ср - пропускана способность рас-пылителей форсунок, мм ; тр - установочный угол опережения впрыскивая топлива; К, СО, NOx, СН, СОг - интегральные значения, соответственно, дым-ности ОГ , %; концентрация оксида углерода, млн"1; суммарных углеводородов, млн ; диоксида углерода, об. %, измеренные после сбора ОГ при работе дизеля в режиме СУ в эластичную емкость (пробоотборный «мешок»).
Как видно, данная математическая модель с высокой степенью сходимости с результатами экспериментальных исследований позволяет идентифицировать по комплексу измерений К, СН, NOx, , С02 СО в режиме СУ значения регулировочных параметров ТА.
Для решения поставленной задачи применительно к автомобилям с дизелем к КамАЗ-740 была произведена математическая обработка результатов эксперимента на номинальном режиме работы (пном) и режиме максимального крутящего момента (nMmax) дизеля КамАЗ-740 и получены зависимости, устанавливающие корреляционные связи значений регулировочных параметров топливной системы дизеля КамАЗ-740 с составом отработавших газов, которые приведены в табл. 2.5.
В практической деятельности использование полученных зависимостей может вызвать определенные трудности вычислительного характера. В связи с этим на основании полученных зависимостей была построена номограмма для определения наиболее вероятных значений регулировочных параметров топливной системы дизеля КамАЗ-740 по результатам анализа состава отработавших газов, которая приведена на рис. 2.5.
Разработанная номограмма позволяет на основе анализа состава ОГ дизелей КамАЗ-740 оперативно диагностировать значения регулировочных параметров топливной системы: установочного угла опережения впрыскивания топлива, средней цикловой подачи, давления начала впрыскивания топлива форсунками, а также определять часовой расход топлива.
Расчет состава продуктов сгорания при использовании в ДВС многокомпонентного топлива
Перспективным вариантом защиты окружающей среды от опасности загрязнения ОГ является использование в ДВС многокомпонентных топлив, обеспечивающих минимальное содержание токсичных компонентов в продуктах сгорания.
Одной из важнейших задач, возникающих при анализе возможностей использования в ДВС перспективных многокомпонентных топлив, является расчет состава продуктов сгорания, позволяющий оценивать эффективность использования исследуемых компонентов топлива с точки зрения снижения токсичности ОГ.
При изучении индивидуальных химических соединений, формулы веществ и их молекулярный вес должны быть известны. В случае если молекулярный вес отдельных компонентов топлива неизвестен, а его состав задан элементарным весовым составом (gi), что имеет место при использовании многокомпонентных топлив, то эквивалентную химическую формулу записывают для условного молекулярного веса (т = 100) в виде /75/: АаВь Сс..., (3.1) В свою очередь: а = -т = - -\00;Ь = -т = --100, та ти ть mh где та]\ ть - атомные веса элементов, входящих в топливо.
В некоторых случаях расчеты удобнее производить не на 1 моль, а на 1 кг топлива. Тогда вместо молекулярной формулы можно записать удельную химическую формулу вещества: Индексы а;Ь;с;сів формуле (3.2) отличаются от соответствующих индексов в уравнении (3.1) в m раз = = = = = = = = т. Тогда в соответствии с уравнением abed (З.І)получим: а = -; Ь = -. та mh Если компонент топлива задан не элементарным составом, а в виде смеси веществ с весовым содержанием каждого из них равном gj; g2, то для всей смеси: 8lMsiBs-,Ce)+g2\Ag;B,;Ch...)+.M Bf 4 или -(4;5л;С,..)+ -(л,; 2;Сс,...)=К;5л;Сс...), (3.3) тх т2 где (А-; В-ь; Сс....) - удельная формула смеси.
Величины индексов в уравнении (3.2) определяются по формулам: a = g +g2a2 +... + gndn; b = gjis +g2b2 +... + gnbH, или г- .Х+& +"-+ь .: (3-4) — h / h / Ь ь = g, ym + g2 yL +-+g„ -/ m„ Условный молекулярный вес смеси определяется из зависимостей: m = mAa + mBb + ... + mnd, (3.5) (3.6) а _ b _ _d a b d
При эксплуатации ДВС действительное соотношение между окислителем и горючим отличается от стехиометрического и учитывается коэффициентом избытка окислителя (а): а=—; z = aXo (3.7) где х и Ха - действительное и стехиометрическое соотношения между окислителем и горючим.
При известном значении стехиометрического соотношения можно составить условную химическую формулу для многокомпонентного топлива, соответствующую заданному значению соотношения воздух/топливо (при а 1 топливо содержит избыток окислительных элементов, при а 1 - избыток горючих элементов).
Молекулярная формула многокомпонентного топлива: AaBhCcDu..., (3.8) где а = аг+а-х 0-а0; Ъ = br +а-%\-Ь0, .... в свою очередь: %\ - стехиометрическое соотношение количества молей окислителя на один моль горючего.
Удельная формула для многокомпонентного топлива: ASBEC-CDS..., (3.9) где аг; Ьг; сг или а,;Ь/,с,...- число грамм-атомов элементов в соответствующих условных формулах горючего, а Ь0; с0, или ао;Ьо;со... - в соответствующих формулах окислителя: а = +Х-а- 0; Ь=К+Х« У.., (3.10) l + a-Хо 1 + а-Х0 где Хо стехиометрическое соотношение между окислителем и горючим.
При расчетах температуры сгорания пользуются полной энтальпией топлива - J, измеряемой суммой термодинамической энтальпии - / и химической энергии топлива - QXILU: J = i + Qmu = Cp-dT + Qxiw. (3.11) Полная энтальпия многокомпонентного топлива определяется суммой полных энтальпий окислителя - J0 и горючего - J/. - для I кг топлива J = —— -, (3.12) 1 + х кг - для 1 моля топлива Jт -m-J, . моль
Полная энтальпия окислителя, горючего или любого вещества, представляющего собой смесь различных химических соединений, подсчитывается по энтальпиям составляющих веществ (J) и их весовым долям (gj): / = ЁгЛ, — (3-13)
Численные значения полных энтальпий зависят от принятой системы отсчета, для определения которой необходимо задать начальную температуру отсчета (Тнач) и начальные уровни химических энергий анализируемых веществ.
Если отсутствуют табличные значения энтальпии веществ, входящих в топливо, для вычисления полных энтальпий можно использовать тепловые эффекты химических реакций, включающих рассмотренное вещество и другие вещества, для которых известны табличные значения полных энтальпий. Пусть в общем виде задана реакция:
Исследование влияния применения многокомпонентного топлива на каталитическую нейтрализацию отработавших газов ДВС
Одним из основных средств, обеспечивающих эффективное снижение количества СО, CnHm и NOx в ОГ являются каталитические нейтрализаторы, которые позволяют без значительных изменений в конструкции двигателя существенно снизить токсичность ОГ.
Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во взаимодействии токсичных компонентов ОГ между собой или с избыточным кислородом, в результате чего вредные соединения переходят в нетоксичные. Основным итогом процессов являются окисление СО и CnHm: /41/ СО+1/202 = С02; (4.1) СпНт + (т+п/4)02 = тС02+ п/2Н20, (4.2) а также восстановление NOx продуктами неполного сгорания топлива, главным образом СО: 2NO+2CO=N2+2C02. (4.3) Кроме того, между компонентами ОГ и кислородом может протекать целый ряд побочных реакций, в частности: СО+Н20=С02+Н2; 5/2H2+NO=NH3+H20; NH3+5/402=NO+3/2H20; (4.4) H2+NO=H20+l/2N2; Н2+1/202=Н20, и некоторые другие.
Каталитический нейтрализатор ОГ можно считать сложной технической системой, так как он имеет несколько составляющих частей, выполняющих свои функции и находящихся в разнообразных связях друг с другом, требующих системы управления и контроля, имеют множество происходящих в них гидравлических, физических и химических взаимно связанных процессов.
Создание модели сложной технической системы позволяет получать возможность решения прямых задач, в которых определяются реакции системы с заданной структурой при воздействии на нее обратных задач анализа, в которых по известной реакции системы с известной структурой и свойствами определяют возмущения, вызвавшие эту реакцию; задач синтеза, требующих нахождения структуры системы и ее параметров, обеспечивающих заданное свойство; индуктивных задач, решение которых необходимо для проверки гипотез, описания системы и выявления ее свойств.
Поскольку целью создания математической модели каталитического нейтрализатора является изучение и описание физико-химических процессов, происходящих вне ДВС и приводящих к снижению уровней его вредных выбросов, выделение связей параметров окружающей среды с условиями эксплуатации, то модель, в основном, необходима для решения задач анализа и синтеза. В круг вопросов, подлежащих рассмотрению при моделировании, входит определение влияния условий окружающей среды на процессы каталитической очистки газов нейтрализаторами различных схем, с различными типами катализаторов; поиск путей снижения гидравлических сопротивлений нейтрализаторов при сохранении высокой степени очистки газов.
Модель, описывающую явления и процессы, происходящие в сложной системе - каталитическом нейтрализаторе, необходимо считать динамической, поскольку мы рассматриваем ее во времени процессов каталитической очистки. Модель имеет вид "серого ящика", поскольку часть подсистем известна и описывается математическими выражениями, а часть - полуэмпирическими уравнениями и регрессионными зависимостями.
При разработке модели предполагалось, что в процессе решения задач потребуется из определенной совокупности решений выбирать те, которые обеспечат экстремумы функции, представляющей критерий качества рассматриваемых решений. Исходя из рекомендаций при решении подобных задач /41, 42/, было признано, целесообразным оптимизацию осуществлять с помощью модифицированного стандартного алгоритма с направленным конусом и случайным выбором пробного шага. Алгоритм является частным случаем вероятностного поиска. Такой подход дал возможность вести оптимизацию функции, аналитическое выражение которой от варьируемых параметров полностью неизвестно и достаточно лишь знать его значение при заданных параметрах; поиска глобального экстремума; при малой чувствительности к виду оптимизации функции обеспечить работоспособность с увеличением числа варьируемых параметров и любым комплексом ограничений, накладываемых на величину, получаемую в процессе счета. В качестве примера рассмотрен многоступенчатый каталитический нейтрализатор, представленный на рис. 4.1.
Особенностью рассмотрения процессов в каталитическом нейтрализаторе является то, что необходимо учитывать одновременно идущие процессы расширения и теплоотдачи газов, прохождения газов через слои фильтра и пористые стенки, процессы окисления и восстановления, внезапного сужения потока газов. Все эти особенности учтены при описании математической модели /75/.
Исходя из существующих представлений о газовой динамике и катализе, построена модель ламинарно-диффузионных процесса нейтрализатора, представленная на рис. 4.2 /75/.
В соответствии с моделью каталитический нейтрализатор разбивается на семь зон, дающих представление о протекающих процессах. При увеличении числа ступеней, количество зон может увеличиться. В первой зоне, в трубе происходит охлаждение ОГ, идущих от выхлопного коллектора ДВС. Здесь наблюдается активный теплообмен, интенсивность которого во многом зависит от наличия тепловой изоляции и температуры окружающей среды.
