Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние проблемы 15
Роль автомобильного транспорта в формировании природно-технических систем 15
Эксплуатационные качества автомобиля, определяющие его негативное воздействие на окружающую среду 27
Природно-климатические условия как определяющий фактор эксплуатационных качеств энергосиловых установок автомобиля 31
Влияние автомобильных дорог на экологическую безопасность автотранспортных средств 33
Оценка сложности маршрута 36
Оценка основных характеристик профиля автомобильных дорог 3 8
Факторы, определяющие линейный расход топлива 42
Региональные особенности транспортной системы промышленных центров Оренбуржья 53
Методологические и теоретические основы формирования автотранспортного комплекса на базе ресурсосберегающих технологий 63
Концепция развития пассажирского городского автотранспорта... 66
Методологические основы разработки целевой комплексной программы развития городского автомобильного транспорта 70
Основные направления целевой комплексной программы развития системы автобусных перевозок 88
Совершенствование дорожной сети и организации дорожного движения в обеспечении топливной экономичности автотранс портных средств 95
Оптимизационное моделирование и информационное обеспечение в реализации направлений целевой комплексной программы развития автомобильного комплекса 97
Основные требования к рациональной структуре парка и эксплуатационным качествам автотранспортных средств для обеспечения экологической безопасности 98
Определение суммарной токсичности отработавших газов 103
Оценка уровня совершенства и технического состояния автомобилей с позиции экологической безопасности 109
Обоснование влияния технического состояния двигателей внутреннего сгорания на топливную экономичность и экологическую безопасность 115
Научные основы применения альтернативных видов топлива для повышения топливной экономичности и экологической безопасности эксплуатации автомобильного транспорта 121
Перспективы использования альтернативных видов топлива на транспорте 121
Параметры рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания при работе на альтернативных видах топлива 124
Модели образования вредных веществ. 147
Особенности использования газовых дизелей на автомобильном транспорте 162
Расчетно-аналитическое обоснование основных параметров газодизельных двигателей 171
Экспериментальная проверка методологических и теоретических разработок 185
Программа экспериментальных исследований 185
Разработка методик исследований и планирование экспериментов 187
Формирование экспериментальной базы 195
Результаты теоретических и экспериментальных исследований ... 204
Основные направления обеспечения эффективности эксплуатации автомобильного транспорта 250
Обеспечение технико-эксплуатационных свойств энергосиловых установок 251
Обеспечение топливно-экономических характеристик энергосиловых установок автотранспорта 255
Основные выводы и результаты 260
Список использованных источников 264
- Роль автомобильного транспорта в формировании природно-технических систем
- Эксплуатационные качества автомобиля, определяющие его негативное воздействие на окружающую среду
- Программа экспериментальных исследований
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований
Введение к работе
Автомобилизация России с учетом сложившихся количественных, качественных и возрастных особенностей автомобильного подвижного состава требует решения комплекса научных проблем по экономическому, экологическому и социальному обеспечению развития транспортного комплекса.
Изхменения, происходящие в настоящее время в макроэкономике, затрагивают все стороны жизни общества, в том числе и анализируемые проблемы. Принципиальное значение имеет тот факт, что развитые страны переходят к постиндустриальной экономике, основной предпосылкой которой является осознание социумом факта соизмеримости его возможностей с потенциальными возможностями Природы. Очевидно, что дальнейшее развитие экономики по традиционной схеме приведет мир к экологической катастрофе. Следовательно, экологическая безопасность транспортных средств составляет важнейшую часть промышленной экологии, которая рассматривает воздействие техники на Природу, определяемое тепловым, вещественным, виброакустическим влиянием на окружающую среду, объемом потребления трудовых и материальных ресурсов, используемых при изготовлении, эксплуатации и утилизации транспортных средств.
Кроме того, необходимо учитывать техногенное воздействие на окружающую среду процесса создания автомобиля, который характеризуется объемами выброса вредных веществ, потреблением кислорода и энергозатрат для получения конструкционных и эксплуатационных материалов. Так, для получения одного килограмма стали и чугуна расходуется 15,15 кВт-час энергозатрат и 2,59 м кислорода, на производство бензина - 4,96 кВт-час и 1,5 м кислорода, алюминия - 58,0 кВт-час и 2,9 м3 кислорода. При этом значителен объем вредных выбросов (аэрозоли, СО2, СО, NOx, СН, SOx и др).
Снижение загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации транспортного комплекса является действительно первоочередной и весьма сложной задачей, особенно в крупных городах и промышленных центрах. Создание и внедрение современных технологий в области автотранспортной энергетики, в том числе использование альтернативных видов топлив и прогрессивных силовых установок подвижного состава, оптимизацию управления автомобильными перевозками относят к числу наиболее приоритетных проблем национальной экономики и безопасности страны.
Нерешенными либо частично решенными остаются многие вопросы адаптации автотранспортных средств к работе на альтернативных видах топлива в особых условиях эксплуатации и диагностирования на традиционной материально-технической базе автотранспортных предприятий и автомобильных парков/
Дальнейшего развития требует система питания нового поколения, оснащенная элементами микропроцессорной техники для управления процессами топливоподачи и смесеобразования в силовых установках газобаллонных автомобилей. Затраты на необоснованные расходы материально-технических, топливно-энергетических ресурсов усугубляются повышенным выбросом вредных веществ при эксплуатации автотранспорта.
В стадии апробации находятся методы математического моделирования выброса вредных веществ с использованием компьютерных технологий высокого уровня, поэтому невозможно оптимизировать выходные параметры рабочих процессов систем питания и двигателя при работе на альтернативных видах топлива.
Не решен вопрос рационального использования подвижного состава в зависимости от реальной специфики и сложности каждого транспортного маршрута и формирования транспортных потоков.
Использование существующих в настоящее время приборов не позволяет решать основные задачи нормирования, текущей оценки расхода топлива и выброса вредных веществ из-за ограниченных возможностей регистрации полного спектра определяющих факторов, а также нерациональной формы записи регистрируемых данных.
Диссертационная работа выполнена по тематическому плану НИР Минву 7 за и Минавтопрома РФ в рамках Федеральной целевой программы «Снижение негативного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду», целевой программы Минтранса России «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 г.г.)», программы «Автотранспортная экология», госбюджетных НИР (№ г.р. 01990000107, 01990003774) в рамках научного направления Оренбургского государственного университета «Наука - регионам. Технологические перспективы Оренбуржья (управление качеством природной среды)».
Вышесказанное свидетельствует об актуальности исследования автотранспортных комплексов городских промышленных центров и процессов взаимодействия их с окружающей средой, указывает на эффективность внедрения ресурсосберегающих технологий и организационно-технологических мероприятий в сфере эксплуатации и управления автотранспортным комплексом.
Цель исследования заключается в повышении эффективности и экологической безопасности эксплуатации автомобильного транспорта на основе разработанных научных положений, концепций и методологических подходов.
Объект исследования - автотранспортная система крупного промышленного центра и процессы ее взаимодействия с окружающей средой.
Предмет исследования - процессы создания ресурсосберегающих технологий и организационно-технологических разработок повышения эффективности и экологической безопасности эксплуатации автомобильного транспорта.
Методы исследований - системный анализ, математическое моделирование рабочих процессов энергосиловых установок транспортных средств, физическое моделирование рабочих процессов систем питания, экспериментальные методы анализа состава отработавших газов и параметров рабочих процессов с использованием современной газоаналитической и режимометрической аппаратуры, методы математической статистики и теории случайных процессов, натурные и модельные испытания в стендовых (безмоторных, моторных), лабора-торно-дорожных и эксплуатационных условиях.
Задачи исследования, обусловленные целью работы: - анализ состояния регионального автотранспортного комплекса и проблем взаимодействия его с окружающей средой, его роли в формировании экосистемы городов и промышленных территорий;
- разработка и реализация целевой комплексной программы развития автотранспортного комплекса на базе ресурсосберегающих экологически безопасных технологий и рациональной организации пассажирских перевозок с учетом особенностей региона;
- оценка перспектив использования альтернативных видов топлив и многотопливных двигателей в целях обеспечения экологической безопасности функционирования автотранспортной системы;
- разработка математической модели взаимосвязи технического состояния составных частей автотранспортного средства и его выходных параметров (топливная экономичность, надежность, экологические показатели и др.);
- разработка методологических и теоретических основ для обоснования требований к формированию дорожно-транспортных комплексов регионов и крупных промышленных центров;
-разработка соответствующих критериев и необходимого программно-целевого обеспечения, методов оценки экологической безопасности автомобилей, включая приспособленность их к использованию альтернативных энергоносителей.
Научная новизна исследования заключается в разработке теоретических положений и методологии повышения эффективности и экологической безопасности функционирования автотранспортных систем, научных и практических методов, методик. Положения, выносимые на защиту:
- теоретические и методологические положения концепции обеспечения экологической и энергетической безопасности автотранспортного комплекса на базе ресурсосберегающих технологий и экологически безопасных транспортных процессов;
- теория и модели образования вредных веществ в процессе эксплуатации энергосиловых установок и расчетно-аналитический метод определения выбро 9 сов вредных веществ в зависимости от конструктивно-эксплуатационных и технологических факторов, позволяющих на различных стадиях создания и испытания автотранспортных средств проводить сопоставительный анализ различных систем топливоподачи при работе их на альтернативных и смешанных видах топлива;
- научные основы и модель организации факела запальной дозы с учетом новых представлений о физической сущности рабочего процесса газового дизеля, позволяющей обосновать закон подачи топлива, величину запальной дозы и геометрические параметры, установить закономерности рабочих процессов газовых автомобилей нового поколения;
- научно-методические подходы и методы расчета конструктивных и функциональных параметров систем топливоподачи и их структурных элементов и расчетно-аналитические закономерности для определения экономических, экологических, энергетических параметров двигателей грузовых и легковых автомобилей;
- критерии, программно-целевое обеспечение, методика классификации сложности маршрутов и методы оценки экологической безопасности автомобилей, включая приспособленность их к использованию альтернативных энергоносителей;
- математическая модель взаимосвязи технического состояния и выходных параметров (топливная экономичность, экологичность, надежность) автотранспортных средств.
Новизна полученных результатов подтверждается одиннадцатью патентами на изобретения.
Практическая значимость работы заключается в обеспечении эффективности функционирования автотранспортных систем и уменьшения массы выбросов вредных веществ автомобилями в окружающую среду. Разработанные теоретические положения, математические модели, методики и программные продукты позволяют совершенствовать транспортные процессы на основе ресурсосберегающих технологий. Результаты исследований могут быть использова 10 ны директивными органами и структурами автотранспортного комплекса для обоснования принятия рациональных управленческих решений по содержанию нормативов поддержания работоспособности автомобильного подвижного состава, разработке технологии технического сервиса, разработке рекомендаций автостроительным предприятиям по повышению качества осваиваемых видов техники на этапах проектирования, опытного и серийного выпуска, а также при подготовке инженерных и научных кадров.
Реализация результатов исследования. Основные теоретические положения, научные и практические результаты, модели и методики использованы при разработке проблем двух федеральных целевых научно-технических программ («Снижение негативного воздействия транспорта на окружающую среду», «Наука вузов - регионам (направление - управление качеством природной среды)») и нашли применение:
-в Открытом акционерном московском обществе «Завод имени И.А. Лихачева» (АМО ЗИЛ), ОАО «Компрессор» и «Аскольд», где использованы: конструкции систем питания автотранспортных средств (АТС) нового поколения для работы на смеси природных газов, включая системы впрыскивания газа; метод инженерного расчета двухтопливных систем, оснащенных микропроцессорными системами управления рабочими процессами и работающих на жидком и газообразном видах топлива и систем электронного впрыскивания газа; схема регулятора-дозатора газа, представляющего собой газовый редуктор нового поколения на базе микропроцессорной системы управления процессами топливоподачи;
-в ООО «Оренбургский автоцентр КамАЗ» и ООО «Оренбурггазавто» внедрен комплекс расчетно-аналитических моделей, позволяющих на стадии проектирования, испытания и доводки автотранспортных средств определить расходные характеристики, проходные сечения дозирующих элементов и клапанов;
-на предприятиях Муниципального учреждения «Оренбургское городское управление пассажирского транспорта» внедрены «Методика оценки сложности автобусных маршрутов и разработка дифференцированных нормативов ТЭЛ (на примере маршрутного расхода топлива и выброса вредных веществ)» и многофункциональная ходовая лаборатория, оснащенная микропроцессорной системой одновременной регистрации основных параметров работы автобуса на линии, позволяющая количественно оценить сложность эксплуатационной нагруженности подвижного состава, трудовых затрат водителей, рациональной организации маршрутной сети.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Оренбургского государственного университета.
Достоверность результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается принятой методологией исследования, включающей в себя апробированные научные методы с использованием современного математического аппарата, стандартных методик, значительным объемом экспериментальных исследований, достоверной исходной информацией и подтверждается сопоставимостью теоретических и экспериментальных результатов и их внедрением на производственных предприятиях.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались и были одобрены на международных, российских и региональных конференций, в том числе: научно-технических конференциях МАДИ (ГТУ) (Москва, 1997-2003 г.г.); Российских научно-технических конференциях «Концепция развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств» (Оренбург, 1995, 1997 г.г.); Российских научно-технических конференциях «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 1999, 2001, 2003 г.г.); 3-ей научно-практической конференции «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: ресурсы, экология, управление» (Чита, 2003 г.); 1-ой Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности про-мышленно-транспортных комплексов» (Тольятти, 2003 г.); 6-ой Международной конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах» (Санкт-Петербург, 2004 г.). Личный вклад автора заключается в разработке концепции, формулировании цели работы, определении направлений теоретических и экспериментальных исследований, основных задач и принципиальных методологических и методических положений, организации и проведении комплексных экспериментальных исследований, обобщении положений по обеспечению эколого-экономической эффективности функционирования автотранспортного комплекса на различных этапах выполнения работы — от научного поиска до разработки технических решений и реализации их в практике использования в транспортных системах региональных комплексов России.
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 67 работ, в том числе 1 монография и 11 патентов на изобретения.
Перечисленные выше положения раскрываются в разделах диссертации, краткое содержание которых приведено ниже.
В первом разделе на основе анализа состояния вопроса и рассмотрения его в известных публикациях оценена роль автомобильного транспорта в формировании экосистемы городов и промышленных центров, определены эксплуатационные качества автомобиля, определяющие его негативное влияние на окружающую среду, природно-климатические условия как определяющий фактор эксплуатационных качеств энергосиловых установок автомобиля, выделена роль состояния автомобильных дорог в обеспечении экологической и дорожной безопасности автотранспортного комплекса, приведены региональные особенности транспортной системы промышленных центров Оренбуржья.
Во втором разделе излагается методология исследования эксплуатационных качеств автотранспорта, содержание предлагаемой целевой комплексной программы развития автотранспортного комплекса на базе ресурсосберегающих экологически чистых технологий и рациональной организации пассажирских перевозок. В основу программы положена разработанная автором концепция развития пассажирского автотранспорта как многокритериальной системы. Методологические основы и принципы построения целевой комплексной программы развития городского автомобильного транспорта отражают основные направления развития системы автобусных перевозок, совершенствование дорожной сети и организации дорожного движения (маршрутизация) в обеспечении топливной экономичности автотранспортных средств, а также включают оптимизационное моделирование и информационное обеспечение в реализации направлений целевой комплексной программы развития с учетом комплекса требований к рациональной структуре парка и эксплуатационным качествам автотранспорта при обеспечении его экологической и дорожной безопасности.
В третьем разделе рассматриваются вопросы использования альтернативных видов топлива и многотопливных двигателей в целях обеспечения экологической безопасности автотранспорта. С учетом перспективы использования альтернативных видов топлива на транспорте проанализированы параметры рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания при работе на альтернативных видах топлива, отражены особенности альтернативных видов топлива в повышении экологической безопасности эксплуатации автотранспорта. Дана оценка возможности использования многотопливных энергосиловых установок на автотранспорте, рассмотрены особенности использования газовых дизелей на пассажирском автотранспорте, эффективность мероприятий по совершенствованию энергосиловых установок в плане направлений целевой комплексной программы развития автотранспорта.
В четвертом разделе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований энергосиловых установок транспортных средств при работе на альтернативных видах топлива. Дано обоснование выбора объектов исследования, разработанная программа экспериментальных исследований, описание методик исследований и планирование экспериментов, использованной экспериментальной базы (установки, аппаратура, программное обеспечение). Рассмотрены особенности стендовых, лабораторно-дорожных и эксплуатационных испытаний автотранспортных средств. Приведены сводные данные обработки результатов экспериментальных исследований.
В пятом разделе проведен анализ эффективности мероприятий по обеспечению топливной экономичности и экологической безопасности, основанных на экспериментальных исследованиях, при условии обеспечения значений регламентируемых технических характеристик энергосиловых установок автотранспорта, топливно-экономических и экологических характеристик автотранспорта. Изложено содержание рекомендаций, разработанных на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований по обеспечению эффективной эксплуатации машинного парка автотранспортного комплекса и на основе использования усовершенствованных энергосиловых установок подвижного состава, применения альтернативных видов топлива и рациональной организации управления движением автотранспортных средств.
В основных выводах подведены итоги проведенных исследований и даны практические рекомендации по использованию полученных результатов.
Роль автомобильного транспорта в формировании природно-технических систем
Транспортно-дорожный комплекс является важнейшим составным элементом единой транспортной сети в экономике России. Численность парка легковых автомобилей в 2005 году составит 32,84 млн. единиц /58, 88, 89, 97, 104, 107, 126, 134, 163 и др./, а общее количество транспортных средств к 2010 года возрастет в 1,4 раза и составит около 40 млн. единиц (табл. 1.1).
Увеличение численности индивидуальных владельцев автомобилей и возрастание удельного веса автомобильных перевозок в общей структуре перевозок грузов и пассажиров подтверждает социально-экономические преимущества автомобильного транспорта, которые отражают изменения в структуре перевозок: пассажирские перевозки железнодорожным транспортом, возможно, снизятся с 30% до 20%, а автотранспортом возрастут примерно с 40% до 55%; грузоперевозки железнодорожным транспортом, по-видимому, уменьшатся с 65% до 50%о, а автомобильным транспортом возрастут с 8% до 16%. Мировой опыт показывает, что развитие автомобилизации страны может стать предпосылкой успешного развития ее экономики в целом. Однако использование транспорта оказывает мощное негативное воздействие на человека и окружаю щую среду. По мнению ряда исследователей /71, 91, 106, 107, 109, 152, 156, 163, 190, 191 и др./ можно выделить несколько видов воздействия: -отчуждение площадей территорий под дороги и объекты транспортной инфраструктуры; -изъятие природных минеральных, водных, энергетических ресурсов; -рубка лесов, осушение водоемов, карьерная разработка строительных материалов, стимулирование эрозионных процессов; -технологическое и транспортное загрязнение вредными веществами, шумами, вибрациями, тепловыми, электромагнитными и ионизирующими излучениями предприятиями транспорта и дорожного хозяйства, транспортными потоками.
Эксплуатация автомобилей связана со значительным загрязнением окружающей среды шумами, вибрациями и отработавшими газами. Доля вредных компонентов отработавших газов в общем объеме атмосферных загрязнений в различных регионах России достигает 90%. Особенно негативное воздействие оказывает автомобильный транспорт в крупных городах.
В ряде исследований /107, 109/ авторы указывают, что в масштабах России доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками достигает в среднем 43 %, в выбросах «климатических» газов - около 10 %, в массе промышленных отходов - около 2 %, в сбросах вредных веществ со сточными водами - около 3 %, в потреблении озоноразрушающих веществ - до 5 %.
Большую часть (до 60 %) составляют вредные вещества, выбрасываемые при перевозке пассажиров легковыми автомобилями. Доля выбросов при перевозке грузов в экологическом ущербе составляет 26,5 %, при автобусных перевозках - около 13,5 %. Основную массу выбросов вредных веществ автотранспорта составляют оксид углерода (СО), углеводороды (CmHn) и оксиды азота (NOx). Однако для здоровья человека, флоры и фауны наибольшую опасность представляют выбросы автотранспортом канцерогенных веществ (сажа, бензол, свинец, 1,3-бутадиен) и некоторых органических веществ (формальдегид, акро леин, толуол, ксилолы и др.). Девять компонентов выбросов составляют в городах около 95 % суммарного ущерба, в том числе: оксиды азота - 44,5 %; свинец - 21 %; акролеин - 7,5 %; сажа - 7,4 %; оксид углерода - 6 %; диоксид серы -3,4%; формальдегид - 2,8 %; бенз(а)пирен - 1,3 %; ацетальдегид - 1,1 %. В общем объеме доля транспортных выбросов загрязняющих веществ в промышленных городах от стационарных и передвижных источников по России составляет около 38 %, что выше, чем доля любой из отраслей промышленности (рис. 1.1.1).
Анализ показывает, что различные виды транспорта выбрасывают загрязняющие вещества по-разному: 58% от общего количества выбросов приходится на автомобильный транспорт, 25% - на железнодорожный транспорт, 14% - на дорожно-строительный комплекс, около 2% - на воздушный транспорт и менее 1% - на речной и морской (Рис. 1.1.2).
На международном конгрессе «Экология мегополиса - 96», посвященном инженерным решениям экологических проблем больших городов /159/ указывается, что именно автомобильный транспорт загрязняет город Москву на 87%. Ежегодно автомобили выбрасывают в городскую атмосферу около 2 млн. тонн вредных веществ, что составляет более чем 200 кг на каждого человека. Экологический ущерб от автотранспорта в г. Москве составляет 1,5 млрд. долларов США в год.
Природоохранная политика в автотранспортном комплексе должна строиться с учетом сложившейся экологической ситуации в отдельных регионах и городах России /68, 89, 132, 135, 136, 182 и др./. В число экономических районов, в которых негативное влияние автотранспорта на окружающую среду становится катастрофичным, входят Северо-Кавказский, Северо-Западный, Центральный, Волго-Вятский, Поволжский и Центрально-Черноземный. Основные выбросы загрязняющих веществ приходятся: в Северо-Западном - на
Санкт-Петербург и Ленинградскую область (60%), в Центральном - на Москву и Московскую область (30%), в Волго-Вятском - на Нижегородскую область (50%), в Центрально-Черноземном - на Воронежскую область (40%), в Поволжском — на Саратовскую, Волгоградскую и Самарскую области, Татарстан (50%), в Северо-Кавказском районе на Краснодарский и Ставропольский края, Ростовскую область и Кабардино-Балкарию (75%). В 158 городах России именно автотранспорт является основным загрязнителем воздуха.
Эксплуатационные качества автомобиля, определяющие его негативное воздействие на окружающую среду
Анализ основополагающих трудов по теории рабочих процессов бензиновых двигателей /1, 27, 28, 37, 40, 41, 58, 64, 65, 69, 100, 183, 192 и др./ показал, что состав и количество токсических веществ зависит от характера осуществления процесса подготовки топливно-воздушной смеси (ТВС) и ее сгорания в объеме камеры сгорания. Состав ТВС определяется коэффициентом избытка воздуха: a = GB/(GTl0), (1.2.1) где GT - часовой расход топлива, кг/час; 1о - минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива; GB - количество воздуха, кг/час.
Анализ вышеприведенных исследований показал, что при а 1 существенно возрастают концентрации NOx в отработавших газах. При этом, даже когда а равно 1, в ОГ содержится некоторое количество этих токсичных компонентов.
Это объясняется неравномерностью состава смеси по цилиндрам, наличием зон с обогащенной смесью в камере сгорания.
При обеднении смеси выход NOx сначала растет, что связано с увеличением концентрации атомарного кислорода в продуктах сгорания, затем (при а 1,05-1,10) концентрация NOx уменьшается в результате падения температуры сгорания.
При работе на газовом топливе (пропан-бутан) характеристики СО и СХНУ близки, а характеристики NOx сильно различаются. Для сжиженного газа концентрация NOx в ОГ меньше, чем для бензина. При работе двигателя на водороде выброс СО и СХНУ отсутствует, а содержание NOx в ОГ значительно больше, чем при работе ДВС на бензине, так как на составах смеси, близких к сте-хиометрической, водород сгорает с очень высокой скоростью. Установлено, что при работе двигателя состав горючей смеси в режиме холостого хода существенно влияет на концентрацию таких примесей как СО и СХНУ.
Угол опережения зажигания ДВС вблизи его оптимального значения (с точки зрения экономичности работы двигателя) почти не влияет на концентрацию СО и СХНУ, однако с его ростом концентрация NOx возрастает, что особенно заметно при а 1. Работа с чрезмерно ранним зажиганием недопустима, так как при этом увеличивается выброс диоксида азота.
Увеличение степени сжатия вызывает рост максимальной температуры цикла и приводит к увеличению отношения поверхности камеры сгорания к ее объему. Первый фактор (а 1,0) определяет концентрацию диоксида азота в ОГ, а второй фактор приводит к увеличению выброса органических веществ.
В двигателе с вихревым движением заряда, создаваемым в процессе впуска топлива, при сильном увеличении интенсивности вихря (особенно в сочетании с обеднением смеси (а = 1,4-1,5) могут возрастать выбросы органических веществ. Кроме того, было установлено, что в области богатых смесей уменьшается выброс СО, но может несколько увеличиться концентрация NOx.
Для снижения токсичности ОГ рекомендуется использовать ряд мероприятий /1, 40, 42, 58, 100, 105, 138, 139, 140, 144, 147, 192/. Для бензиновых двигателей такими мероприятиями являются: - повышение качества изготовления двигателей путем совершенствования технологических процессов и, в первую очередь, ужесточение технологических допусков на изготовление деталей, формирующих камеру сгорания, систему подачи топлива, впускные трубопроводы и систему зажигания; - совершенствование систем питания; - применение бензинов с малым содержанием тетраэтилсвинца и переход на газообразные топлива. Так, снижение или полный отказ от этилированых бензинов позволяет влиять на выброс соединений свинца и обеспечивает требуемую долговечность каталитических нейтрализаторов. Перевод двигателей на газообразное топливо обеспечивает снижение выбросов оксидов азота примерно в два раза и дает уменьшение концентрации угарного газа. Использование рециркуляции отработавших газов приводит к понижению максимальной температуры цикла, а, значит, способствует уменьшению образования NOx в ОГ на 40-50%; - нейтрализация отработавших газов, которая позволяет обеспечивать существенное уменьшение токсичности ОГ, и, прежде всего, СО и СХНУ, а также способствует восстановлению NOx.
Таким образом, применение известных способов воздействия на процесс смесеобразования и сгорания топлива существенно снижает содержание токсичных компонентов в ОГ.
Токсичность отработавших газов дизелей определяется следующими основными факторами /I/: - совершенствованием процессов смесеобразования и сгорания; - параметрами топливоподающей аппаратуры и свойствами топлива; - режимом работы ДВС; - техническим состоянием двигателя.
Программа экспериментальных исследований
Решение поставленных в работе задач базируется на анализе и синтезе комплекса значительного объема экспериментальных исследований. Вопросу рациональной организации и проведения экспериментальных исследований уделено особое внимание. Для реализации этого системного подхода была разработана программа экспериментальных исследований, в основу которой положены следующие концептуальные соображения:
- в качестве объектов исследований в силу наибольшей распространенности приняты автотранспортные средства (АТЄ) грузоподъемностью 0,5-15,0 т, оснащенные двигателями с искровым зажиганием и самовоспламенением от сжатия для работы на альтернативных видах топлива (АВТ). Характерные параметры испытываемых двигателей: iVh = 1,2..2,45 и 4,5..7,0 л., S/D = 0,9.. 1,0;
- использование современных методов и аппаратных средств испытаний двигателей и систем их питания, современных методов анализа и синтеза полученных результатов;
- системное проведение взаимоувязанного комплекса экспериментальных работ на безмоторных установках, моторных стендах, на динамометрическом стенде и в лабораторно-дорожных условиях;
- в связи со сложностью объектов исследования должны быть использованы методы математического планирования экспериментов и соответствующие статистические методы обработки результатов эксперимента;
- экспериментальные методики должны обеспечивать объективную оценку конструктивных решений существующих и модернизированных конструкций энергосиловых агрегатов АТС, отвечающих нормативным значениям их технических, топливно-экономических и экологических характеристик;
- экспериментальные исследования направлены на подтверждение теоретических исследований и сопоставление с результатами исследований других авторов в рассматриваемой области.
Для реализации программы экспериментов: - уточняются аналитические методы определения характеристик АТС и рабочих процессов двигателей; - разрабатываются и изготавливаются оригинальные экспериментальные стенды для испытания систем питания АТС и их узлов; - уточняются разработанные модели для анализа параметров объектов исследования; - разрабатываются частные инженерные методики расчета параметров ДВС, работающих на альтернативных видах топлива; - разрабатывается программное обеспечение для реализации расчетных методик на ПЭВМ; - для полного объема проведения экспериментальных исследований создаются ходовые лаборатории на базе различных АТС, включая автобусы, что позволит провести исследования режимов эксплуатации АТС в реальном масштабе времени; - разрабатываются практические рекомендации по совершенствованию экспериментальных объектов исследования. - обосновывается технико-экономическая целесообразность внедрения полученных результатов в практику АТП промышленных центров Оренбуржья и прилегающих регионов.
В процессе экспериментального исследования решается ряд частных задач: разработка экспериментальной установки для исследования рабочих процессов газодизеля; определение экономических и экологических характеристик газо дизелей; исследование экологических и топливно-энергетических показателей дизелей при работе на дизельном топливе и его смесях; исследование экологических и топливно-экономических показателей газодизельных систем питания; исследование влияния величины запальной дозы топлива на показатели рабочего процесса; исследование влияния параметров элементов газодизельной аппаратуры (смесителя, редуктора и др.) на показатели работы дизеля при работе на дизельном и газодизельном топливе; определение влияния величины угла опережения впрыска запальной дозы топлива на показатели работы дизеля на дизельном и газодизельном топливе.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований
Экспериментальная проверка модели образования вредных веществ (п.3.3.) по образованию окислов азота при сгорании моторного топлива проведена в соответствии со схемой термометрирования поверхности головки блоков цилиндров при работе двигателей в дизельном и газодизельном режиме, которая представлена на рис. 4.4.1, где приведено расположение датчиков температуры.
Анализ параметров внешней скоростной характеристики дизеля показывает, что при работе на высокой частоте вращения KB температура поверхности в зоне впускного клапана ниже, чем в зоне выпускного клапана. Особенно это заметно для точки 8, находящейся в области клапанной перемычки, где разница составляет свыше 60 С. При работе на газе можно отметить, что перепад тем ператур в различных местах поверхности головки цилиндра ниже, чем при работе в дизельном режиме. Это можно объяснить спецификой сгорания рабочей смеси, имеющей более равномерное, по сравнению с дизельным топливом, распределение по камере сгорания. Можно отметить, что уровень температур поверхности головки цилиндра при работе на газе не вызывая опасения.
Высокая температура отдельных элементов цилиндро-поршневой группы создает предпосылки формирования температурной неоднородности в камере сгорания. Температура носка распылителя форсунки при больших нагрузках и частотах вращения достигает 300С. Снижение температуры распылителя форсунки по мере увеличения расхода топлива вполне закономерно, так как происходит улучшение его охлаждения за счет большего количества подаваемого дизельного топлива.
Анализ показывает, что температура продуктов сгорания по отдельным зонам существенно различается. Высокая температурная неоднородность является причиной появления высоких мгновенных концентраций окислов азота.
В технической литературе большое внимание уделено анализу влияния количественных закономерностей образования NOx в быстрогорящих смесях из-за неравномерности распределения температур в замкнутом объеме, которые известны под названием Махе-эффекта, названным по имени немецкого ученого Махе, впервые рассчитавшего его /233/. Сущность явления заключается в том, что процесс горения в замкнутом объеме протекает аналогично процессу распространения пламени от источника зажигания, в ходе горения повышается давление. При отсутствии теплообмена и перемешивании каждый элементарный объем смеси адиабатически сжигается, затем сгорает, практически при постоянном объеме (так как продолжительность процессов сгорания и распространения пламени несоизмеримы), а уже затем снова сжимается до максимального значения давления в виде продуктов сгорания. Таким образом, горение различных элементарных объемов происходит при различных давлениях. Вследствие горения локальная температура смеси уменьшается по мере удаления элементарного объема от источника зажигания.
Из-за большой теплоты активируется реакция образования NOx, неравномерность температур значительно увеличивает скорость реакции даже при постоянной средней температуре продуктов горения. Теплота активации разложения NOx меньше теплоты образования и скорости разложения вследствие Махе-эффекта увеличивается в меньшей степени. Наибольшее влияние Махе-эффекта на выход NOx из реакции оказывается при сгорании от одного постоянного источника зажигания, т. е. в карбюраторных двигателях.
На выброс из реакции NOx также влияет так называемая «закалка» окислов, т.е. их способность находиться длительное время в неравновесных концентрациях, что характерно для быстронагреваемых и быстроохдаждаемых смесей, в том числе, и для двигателей внутреннего сгорания. Начальное давле ниє увеличивает выброс NO при горении бедных смесей и уменьшает - при богатых.
При взрывах бедных сухих смесей на количество образующихся NOx может оказать влияние небольшая присадка к СО паров воды, что доказано акад. Я. Б. Зельдовичем на опытах с четырьмя смесями азота, кислорода и окиси углерода, избыточным против стехиометрического содержания азота по отношению к кислороду, а концентрация СО по объему соответственно равнялась: в смеси I — 18%, II — 28%, III — 36%.
