Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния вопроса 17
1.1 Вредное воздействие тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин на окружающую среду 17
1.2 Сравнительный анализ эффективности мероприятий по снижению токсичности отработавших газов автотракторных дизелей 23
1.3 Особенности каталитической нейтрализации отработавших газов автотракторных дизелей 29
1.4 Анализ влияния эксплуатационных факторов на срок службы катализатора 34
1.5 Анализ основных причин повышенной дымности отработавших газов автотракторных дизелей 38
1.6 Анализ существующих способов снижения дымности отработавших газов автотракторных дизелей в условиях эксплуатации 44
1.7 Выводы по главе 49
Глава 2 Теоретические исследования по улучшению экологических характеристик дизеля 51
2.1 Физико-химические основы образования сажи в цилиндрах дизеля 51
2.2 Процесса сжатия с учётом износа цилиндропоршневой группы 53
2.3 Моделирование утечек рабочего тела в процессе сжатия 56
2.4 Математическая модель процесса сажеобразования с учётом утечек рабочего тела из цилиндров дизеля 58
2.5 Обоснование возможности снижения сажесодержания в отработавших газах дизеля путём изменения регулировочных параметров топливной аппаратуры 66
2.6 Выводы по главе 69
Глава 3 Методика и результаты экспериментальных исследований 71
3.1 Методика экспериментальных исследований 71
3.1.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 71
3.1.2 Экспериментальная установка и контрольно-измерительная аппаратура 72
3.1.3 Методика экспериментальных исследований по стабилизации уровня дымности отработавших газов 80
3.1.3.1 Методика исследования однофакторных зависимостей показателей работы и дымности отработавших газов дизеля от эксплуатационных факторов 80
3.1.3.2 Методика исследования комплексного влияния эксплуатационных факторов на показатели работы и дымность отработавших газов дизеля при использовании полного факторного эксперимента 23 82
3.1.3.3 Методика определения значений регулировочных параметров дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры 90
3.1.4 Методика экспериментальных исследований по совершенствованию конструктивно-технологической схемы каталитического нейтрализатора отработавших газов 93
3.1.4.1 Разработка конструкции каталитического нейтрализатора отработавших газов 93
3.1.4.2 Методика экспериментальных исследований по определению влияния количества катализатора в потоке отработавших газов на качество их очистки 100
3.1.4.3 Методика экспериментальных исследований по определению возможности проведения термической регенерации катализатора... 103
3.1.4.4 Методика экспериментальных исследований системы снижения токсичности с постоянной периодичностью проведения термической регенерации 104
3.1.4.5 Методика экспериментальных исследований системы снижения токсичности с автоматическим проведением термической регенерации 106
3.1.5 Методика оценки погрешностей измерений 107
3.2 Результаты экспериментальных исследований по стабилизации уровня дымности отработавших газов дизеля 109
3.2.1 Результаты исследования влияния эксплуатационных факторов на показатели работы и дымность отработавших газов дизеля КамАЗ-740109
3.2.1.1 Анализ результатов исследования однофакторных зависимостей показателей работы и дымности отработавших газов дизеля КамАЗ-740 от эксплуатационных факторов 109
3.2.1.2 Анализ результатов исследования комплексного влияния эксплуатационных факторов на показатели работы и дымность отработавших газов дизеля КамАЗ-740 118
3.2.2 Результаты определения значений регулировочных параметров дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры автотракторных дизелей 122
3.2.2.1 Результаты определения значений регулировочных параметров дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры дизеля КамАЗ-740 122
3.2.2.2 Результаты определения значений регулировочных параметров дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры дизеля ЯМЗ- 238 134
3.2.2.3 Результаты определения значений регулировочных параметров дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры дизеля Д-243 146
3.2.2.4 Результаты определения значений регулировочных параметров дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры дизеля Д-120 155
3.3 Результаты экспериментальных исследований характеристик системы снижения токсичности отработавших газов 170
3.3.1 Влияние количества катализатора в потоке отработавших газов на качество их очистки 170
3.3.2 Исследование возможности проведения термической регенерации катализатора 180
3.3.2.1 Влияние продолжительности термической регенерации на её эффективность 180
3.3.2.2 Определение количества циклов регенерации катализатора... 182
3.3.3 Исследование возможности термической регенерации катализатора с постоянной периодичностью 184
3.4 Выводы по главе 195
Глава 4 Математическое моделирование работы системы снижения токсичности отработавших газов 199
4.1 Постановка задач 199
4.2 Математическая модель работы системы снижения токсичности отработавших газов 211
4.2.1 Физико-химические процессы, протекающие в системе снижения токсичности на основе каталитического нейтрализатора отработавших газов с автоматическим распределительным устройством потока газов211
4.2.2 Определение исходных данных для расчёта величины противодавления выпуску отработавших газов 221
4.2.3 Определение исходных данных для расчёта величины каталитической активности 224
4.2.4 Математическая модель работы системы снижения токсичности 226
4.3 Математическое моделирование работы системы снижения токсичности при нормальных условиях эксплуатации 228
4.4 Математическое моделирование работы системы снижения токсичности с учётом воздействия различных факторов 234
4.4.1 Выбор факторов и определение их меры воздействия на показатели работы системы снижения токсичности 234
4.4.2 Математическое моделирование работы системы снижения токсичности при неблагоприятных условиях эксплуатации 236
4.4.3 Математическое моделирование работы системы снижения токсичности при благоприятных условиях эксплуатации 240
4.5 Проверка адекватности результатов математического моделирования работы системы снижения токсичности 248
4.5.1 Сравнительные стендовые испытания дизеля, оснащённого каталитическим нейтрализатором и системой снижения токсичности отработавших газов разработанной конструкции 248
4.5.2 Определение показателей работы системы в результате эксплуатационных испытаний 251
4.6 Выводы по главе 255
Глава 5 Научно-технические и экономические обоснования результатов исследований 256
5.1 Мероприятия по снижению дымности отработавших газов дизеля .256
5.1.1 Разработка прибора для определения значений регулировочных параметров топливной аппаратуры 256
5.1.2 Методика проведения дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры 260
5.1.3 Предложения и рекомендации по использованию разработанной методики и прибора 261
5.1.4 Технико-экономическая оценка разработанной методики с использованием прибора 262
5.2 Мероприятия по снижению токсичности отработавших газов дизеля 269
5.2.1 Предложения и рекомендации по использованию разработанной системы снижения токсичности отработавших газов 269
5.2.2 Технико-экономическая оценка разработанной системы снижения токсичности отработавших газов 271
5.3 Выводы по главе 273
Заключение 274
Список литературы 277
Приложения 290
- Вредное воздействие тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин на окружающую среду
- Математическая модель процесса сажеобразования с учётом утечек рабочего тела из цилиндров дизеля
- Методика определения значений регулировочных параметров дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры
- Определение исходных данных для расчёта величины противодавления выпуску отработавших газов
Введение к работе
Актуальной задачей, стоящей перед исследователями, является разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве. Решению социально-экологических проблем автотракторной техники посвящены работы О.И. Жегалина, В.А. Звонова, В.А. Лиханова, A.M. Сайкина, Ю.В. Трофименко, К). Якубовского. Аспекты проблемы снижения токсичности автотракторных двигателей исследовали В.А. Вагнер, Л.М. Жмудяк, А.В. Николаенко, А.Л. Новоселов, Е.Г. Пономарёв, Ю.Х. Шаулов. На обеспечение экологической безопасности автотракторной техники были в различное время направлены исследования Х.Г. Вольфграда, А.Г. Гейдона, С.Н. Девянина, Я.Б. Зельдовича, И.Я. Райкова, П.Я. Садовникова, Ю.Б. Свиридова, Н.Н. Семёнова, В.Н. Фанлейба, Д.А. Франк-Каменецкого. Влияние технического состояния дизеля на состав отработавших газов изучалось учёными П.М. Беловым, А.Д. Борцем, В.М. Буновым, В.Р. Бурячко, Ю.М. Доколиным, Н.С. Ждановским, В.Ф. Кутеневым, М.О. Лернером, Б.С. Стефановским, В.П. Сорокиным, А.П.Ухановым.
Постановлением Правительства РФ от 12.10.2005 №609 утверждён специальный технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории РФ, вредных (загрязняющих) веществ» /149/. Он вводит в действие технические нормативы выбросов на период с 2006 по 2014 г.г. в целях поэтапного приведения российского транспорта к требованиям ЕЭК ООН. В соответствии с данным Постановлением, начиная с 2006 года, с конвейера должны сходить автомобили, отвечающие европейским стандартам. Очевидно, что для приведения российских дизелей к требованиям мировых экологических стандартов на сегодняшний день необходима полная замена станочного парка и технологических линий отечественных предприятий, а это невозможно без колоссальных долгосрочных капиталовложений. Поэтому для успешного решения экологической проблемы необходимы разработка, развитие и активное использова-
10 ниє каталитических нейтрализаторов отработавших газов автотракторных дизелей. Каталитические нейтрализаторы отработавших газов являются наиболее простым и эффективным средством снижения токсичности. /21, 36, 37, 48, 53, 71/. В странах ЕС и США оснащение каталитическими нейтрализаторами автомобилей, моторных лодок и даже газонокосилок является важной государственной задачей. Так, в ФРГ установка владельцами автомобилей, находящихся в эксплуатации, каталитических нейтрализаторов стимулируется государством: 50% стоимости нейтрализатора компенсируется наличными, 50% - в виде освобождения от уплаты налогов /150/.
Однако препятствиями на пути их широкого внедрения на отечественных дизелях являются незначительный срок службы и непродолжительность качественной очистки газов /109, 154, 162, 166, 174/. Одной из наиболее сложных задач, которую необходимо решить при разработке систем снижения токсичности, включающих каталитические нейтрализаторы, является поддержание каталитической активности в течение всего срока службы системы. Существующие каталитические нейтрализаторы не обеспечивают выполнение требований по продолжительности срока службы, качеству очистки отработавших газов/109, 154, 162, 166, 174/.
Значительное влияние на срок службы каталитического нейтрализатора оказывает уровень дымности отработавших газов дизеля. Причиной его увеличения, как правило, являются нарушения регулировок систем и механизмов двигателя, увеличение износов в сопряжениях, возникающие при эксплуатации дизеля. Возможность компенсировать износ предусмотрена далеко не во всех сопряжениях. Износ цилиндропоршневой группы имеет необратимый характер и служит препятствием на пути использования каталитических нейтрализаторов в системах снижения токсичности отработавших газов дизелей,
Таким образом, проблема исследования обусловлена противоречиями между: - жёсткими требованиями по ограничению содержания токсичных компонентов в составе отработавших газов и отсутствием реальных и действен- ных методов по ограничению уровней вредных выбросов с отработавшими газами автотракторных дизелей, находящихся в эксплуатации; объективной необходимостью оснащения каталитическими нейтрализаторами отработавших газов отечественных дизелей для выполнения требований современных экологических стандартов и незначительным сроком службы дорогостоящих каталитических нейтрализаторов (несоизмеримым со сроком службы дизелей), обусловленным, прежде всего, недостатками конструкции используемых каталитических нейтрализаторов; необходимостью ограничения уровня дымности отработавших газов дизелей в течение всего срока их службы и отсутствием механизма компенсации износа цилиндропоршневой группы в процессе эксплуатации.
В свете вышеизложенного проблема исследования формулируется следующим образом: как построить систему снижения токсичности на основе каталитического нейтрализатора отработавших газов с высокими характеристиками на протяжении всего срока службы дизеля.
Предметом исследования является система снижения токсичности 01 работавших газов дизеля на основе каталитического нейтрализатора.
Объект исследования - процесс изменения показателей работы системы снижения токсичности на основе каталитического нейтрализатора (противодавления выпуску отработавших газов и каталитической активности) в условиях эксплуатации дизелей.
Цель исследовании - улучшение экологических показателей дизелей путём повышения эффективности их работы, разработки средств и методов снижения токсичности отработавших газов, обеспечивающих уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду.
Гипотеза исследования. Если разработать мероприятия по ограничению уровня дымности отработавших газов в условиях эксплуатации и устранить основные недостатки существующих конструкций каталитических нейтрализаторов, то это позволит обеспечить использование каталитических нейтрализаторов в системах снижения токсичности отечественных дизелей.
Для этого в работе разработана и применена новая концепция построения систем снижения токсичности на основе каталитических нейтрализаторов отработавших газов, предложен комплекс мероприятий, позволяю-
12 тих обеспечить высокие характеристики каталитического нейтрализатора на протяжении всего срока службы дизеля.
Для реализации цели исследования и проверки гипотезы поставлены следующие задачи:
Выявить состояние проблемы использования каталитических нейтрализаторов в системах снижения токсичности отечественных дизелей.
Выявить закономерности изменения сажеобразования в зависимости от величины утечек воздушного заряда из цилиндров дизеля вследствие износа цилиндропоршпевой группы.
Провести экспериментальные исследования по определению значений регулировочных параметров топливной аппаратуры в зависимости от величины давления конца сжатия в цилиндрах дизеля; разработать методику проведения дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры и прибор для установления необходимости проведения регулировок и определения значений регулировочных параметров.
Экспериментально исследовать зависимости: 1) эффективности снижения концентраций нормируемых токсичных компонентов и дымности отработавших газов от объёма катализатора для различных режимов работы дизеля; 2) каталитической активности и противодавления выпуску отработавших газов, создаваемого каталитическим нейтрализатором, от продолжительности проведения термической регенерации катализатора; 3) каталитической активности от числа проведённых циклов регенерации каталитического блока.
Разработать концепцию построения систем снижения токсичности на основе каталитических нейтрализаторов отработавших газов; составить математическую модель работы системы снижения токсичности и определить значения её регулировочных параметров.
6. Провести испытания разработанной системы снижения токсичности с автоматическим проведением термической регенерации катализатора в комплексе с проведением дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры дизеля; разработать рекомендации по применению и оценить эффективность разработанных мероприятий.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования.
Теоретические методы. В работе применялись методы математического моделирования, корреляционного и регрессионного анализа, планирования многофакторного эксперимента и анализа размерностей с обработкой полученных данных на ЭВМ.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечены выбором методов исследования, адекватных цели и задачам исследования, опорой на основные положения общепризнанных теорий, сочетанием теоретическою анализа проблемы и результатов стендовых и пробеговых испытаний, длительностью эксперимента, экспериментальной базой, достаточной для применения статистической обработки результатов исследований в практику.
Экспериментальные методы. Исследования проводились в лабораторных и производственных условиях по разработанным методикам, в основу которых положены нормативно-технические документы. Достоверность результатов обеспечивалась также поверенными измерительно-регистрирующей аппаратурой и приборами.
Научную новизну диссертационной работы составляют: новая концепция построения систем снижения токсичности на основе каталитических нейтрализаторов отработавших газов с автоматическим распределением потока газов, обеспечивающим циклическую работу каталитических реакторов с дозированным внесением катализатора в поток газов и проведением его термической регенерации; установленные зависимости: 1) эффективности снижения концентраций нормируемых токсичных компонентов и дымности отработавших газов от объёма катализатора для различных режимов работы дизеля; 2) каталитической активности и противодавления выпуску отработавших газов, создаваемою каталитическим нейтрализатором, от продолжительности проведения термической регенерации катализатора; 3) каталитической активности от числа проведённых циклов регенерации каталитического блока; 4) относительного роста противодавления и относительного снижения каталитической активности в зависимости от уровня дымности отработавших газов и пробега автомобиля; математическая модель работы системы снижения токсичности на основе каталитического нейтрализатора отработавших газов с автоматическим распределительным устройством потока газов; математическая модель сажеобразования с учётом утечек рабочего тела из цилиндров дизеля вследствие износа цилиндропоршневой группы; новый метод снижения токсичности, заключающийся в комплексном воздействии на состав отработавших газов путём проведения дополнительной 'жсплуатационной регулировки топливной аппаратуры и их каталитической очистки.
Практическая значимость работы: предложена конструкция системы снижения токсичности на основе каталитического нейтрализатора отработавших газов с автоматическим распределительным устройством потока газов, защищенная патентами РФ и обеспечивающая качественную очистку отработавших газов в течение всего срока службы дизеля; разработана методика определения значений регулировочных параметров системы снижения токсичности отработавших газов; разработан способ повышения эффективности работы дизеля, методика проведения дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры и прибор для установления необходимости проведения регулировок и определения значений регулировочных параметров, защищенные патентами РФ и обеспечивающие ограничение уровня дымности отработавших газов в течение всего срока службы дизеля; расширены возможности использования каталитических нейтрализаторов в системах снижения токсичности отечественных дизелей; разработан метод снижения токсичности, заключающийся в комплексном воздействии на состав отработавших газов путём проведения дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры и их каталитической очистки.
Реализация результатов исследований. Результаты исследования реализованы в учебном процессе Военных автомобильных институтов (г. г. Рязань, Челябинск), Военного автомобильного факультета (г. Уссурийск) при Военном автомобильном институте (г. Рязань), Краснодарского военного института, КубГАУ, МГТУ «МАМИ», Майкопского ГТУ; в деятельности Автомобильных служб Управлений Вооружения МВО, ПриВО, СКВО по обес-
15 печению экологической безопасности при эксплуатации вооружения и военной техники; в процессе технического обслуживания ряда автопредприятий Краснодарского края; в производственном процессе 40 авторемонтного завода МО РФ и ряда авторемонтных предприятий Краснодарского края; в опытно-конструкторской и научно-исследовательской работе ЗАО «Оборонпром» (в рамках ГНТП "Высокоскоростной экологически чистый транспорт"), ОАО «БАЗ», ОАО «Галичский автокрановый завод» и НИИ прикладной экологии (г. Краснодар), деятельности Кубанского Экологического Союза при разработке рекомендаций автотранспортным предприятиям Краснодарского края.
Апробация работы. Проект «Исследование закономерностей функционирования каталитических нейтрализаторов с автоматическим распределением потока отработавших газов» поддержан грантом Президента РФ MK-3S63.2005.8 по итогам конкурса молодых учёных 2005 года. Проект «Каталитический нейтрализатор отработавших газов дизеля» награждён за вклад в укрепление экологической безопасности и устойчивое развитие России дипломом конкурса «Национальная экологическая премия» за 2004 год, проводимого Комитетом по экологи Государственной Думы РФ, и Премией конкурса в области защиты окружающей среды и культурно-исторических ценностей 2004 года, проводимого Ford Motor Company в России и СНГ. Основные положения работы докладывались на XXIII - XXX научно-методических конференциях 1998 - 2000 г.г. Военного автомобильного института (г. Рязань), на конференции «Проблемы математического и компьютерного моделирования в научных исследованиях и образовательном процессе» Краснодарского военного авиационного института в 2003 г., на четвёртой южнороссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (г. Краснодар) в 2005 г., на второй международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (г. Тольятти / Известия Самарского научного центра РАН) в 2005 г., на II Всероссийской научной конференции молодых учёных и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (г.Анапа), на заседаниях на- учно-технического комитета Главного Автобронетанкового Управления МО РФ (войсковая часть 93603 - Н, г. Москва) - 2000 г., кафедры эксплуатации автомобильной техники Военного автомобильного института, г. Рязань в 1998 - 2000 г.г., кафедры «Транспорт в сельскохозяйственном производстве» Московского агроинженерного университета им. В.П. Горячкина в 1999 г., кафедры автотракторных двигателей Московского государственного технического университета «МАМИ» в 1999 г., отдела двигателей 21 Научно-исследовательский испытательный институт (автомобильной техники) г. Бронницы в 2000 г.
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 69 работ, в том числе 1 монография, 29 публикаций в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 16 статей в научных журналах и сборниках научных трудов ведущих вузов (в том числе 1 рукопись депонирована), 7 докладов в материалах конференций, получено 16 патентов РФ на изобретения. Без соавторов опубликовано 35 работ объёмом 20 п.л.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты исследований: новая концепция построения систем снижения токсичности на основе каталитических нейтрализаторов отработавших газов с автоматическим распределением потока газов, обеспечивающим циклическую работу каталитических реакторов с дозированным внесением катализатора в поток газов и проведением его термической регенерации; математическая модель работы системы снижения токсичности на основе каталитического нейтрализатора отработавших газов с автоматическим распределительным устройством потока газов; математическая модель сажеобразования с учётом утечек рабочего тела из цилиндров дизеля вследствие износа цилиндропоршневой группы; новый способ повышения эффективности работы дизеля, имеющего износ цилиндропоршневой группы; метод снижения токсичности, заключающийся в комплексном воздействии на состав отработавших газов путём проведения дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры и их каталитической очистки.
Вредное воздействие тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин на окружающую среду
Эти аспекты следует рассматривать комплексно для всей используемой АТТ, например, в хозяйстве, службами, обеспечивающими функционирование сельхозмашин на всех этапах их жизненного цикла /37,44/. Низкий КПД машин в целом (по расходу топлива на единицу выполняемой работы), обусловливающий тепловое загрязнение атмосферы, требует учета при оценке экологической безопасности АТТ /66/. С экологической точки зрения очень важны все этапы жизненного цикла сельхозмашины. Так, при проектировании и изготовлении предприятие и его специалисты обязаны не только применять материалы с большим сроком службы и экологически чистые, энерго- и материалосберегающие технологии, но и гарантировать высокое качество изделий, а при списании машин важнейшим вопросом является утилизация деталей и материалов, не подлежащих восстановлению /66/.
На сегодняшний день состав ОГ дизелей достаточно полно изучен /25, 53, 155, 186/. Они представляют собой сложную, многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и твёрдых частиц. Токсичность ОГ дизелей определяется в основном продуктами неполного сгорания топлива (оксид углерода, несгоревшие углеводороды, кислоты, спирты, кетоны, сернистый ангидрид, сажа и др.), а также веществами, образующимися в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (NOy) /53, 188/. Кроме продуктов сгорания топлива, в ОГ дизелей (в зависимости от технического состояния дизеля, качества применяемых нефтепродуктов) присутствуют пары смазочного масла, вещества образующиеся из присадок к топливу и маслу, а также твёрдые частицы из материалов конструкции двигателя (Fe, Ni, Си, Zn, Cr) /21, 189/.
В ОГ, даже при идеальной гомогенизации смеси, неизбежно должны содержаться как исходные, так и промежуточные продукты реакции - углеводороды топлива, промежуточные альдегидные соединения, окись углерода /25, 187/. Все отклонения от идеальной гомогенизации топливовоз-душной смеси усугубляют вероятность увеличения содержания этих компонентов и энергетических потерь, связанных с недоиспользованием энергии топлива /25, 184/.
Опасное воздействие продуктов сгорания топлива на сельскохозяйственные культуры и растения к настоящему времени достаточно хорошо изучено /66/: 1. Особо чувствительны к загрязнению атмосферы свекла, злаки, бобы, салатные культуры, виноград и др. В частности, допустимая средняя концентрация N0X, не приводящая к поражению листьев этих растений в течение 0,5 ч, — 0,8мг/м . Кроме того, наличие N02 в атмосфере приводит к протеканию фотохимических реакций и образованию в качестве вторичных продуктов озона (Oj) и пероксиацетилнитрата, вредное действие которых на листья растений проявляется при более низких концентрациях N02, чем исходная. Концентрация N02 в воздухе в 4.. .6мкг/м3 приводит к серьезному повреждению растений, при концентрации до 2 мг/м3 и длительном воздействии происходит хлороз растений. Низкие концентрации NOj в воздухе вызывают снижение роста. 2. Растения очень чувствительны к загрязнению воздуха двуокисью серы, разрушающей хлорофилл. Лиственные растения, ежегодно сбрасывающие листву, легче переносят загрязнение атмосферы двуокисью серы, а хвойные - более болезненно реагируют на S02. При концентрации S02 в воздухе 0,015.,,0,035 мг/м прирост древесной массы хвойных деревьев составляет примерно 20% из-за снижения интенсивности фотосинтеза без изменения интенсивности дыхания хвои. При концентрации S02 от 0,23 до 0,32 мгм нарушение фотосинтеза и дыхания хвои вызывает усыхание сосны за 2.. .3 года. Концентрация S02 в летнее время 0,08...0,1 мг/м3 и в зимнее время 0,2 мг/м3 приводит к постепенной гибели большинства растений. 3. Загрязнение атмосферы ОГ приводит к накоплению в сельскохозяйственных культурах канцерогенного бенз(а)пирена. Наибольшее его количество найдено в пробах кочанной капусты (15,6..,24,5 мкг/кг), наименьшее — в пробах помидоров (0,22 мкг/кг). В хлебном зерне бенз(а)пирена содержится в количестве от 0,68 до 1,44 мкг/кг.
Для минимизации наносимого ущерба от загрязнения атмосферы необходимы неотложные меры по уменьшению вредного воздействия ОГ автотракторных дизелей.
В странах Европейского сообщества с 1993 года действовали экологические нормы Евро-1, с 1996 года вступили в силу Евро-2, Евро-3 введены с 2001 года, стандарт Евро-4 введён с 2005 года, существует перспективный стандарт Евро-5, введение которого планируется с 2010 года /44/. Постановлением Правительства РФ от 12.10.2005 №609 утверждён специальный технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории РФ, вредных (загрязняющих) веществ» /149/. Он вводит в действие технические нормативы выбросов на период до 2014 года в целях поэтапного приведения российского транспорта к требованиям ЕЭК ООН.
Требования к содержанию токсичных компонентов в ОГ автомобильных дизелей, изготовленных до введения специального технического регламента /149/, а также вводимые с 2006 года и перспективные - в табл. 1.1, требования к содержанию токсичных компонентов в ОГ дизелей тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин - в табл. 1.2.
Наблюдаемая в научно-технической документации тенденция к ужесточению нормирования токсичных компонентов с ОГ подчёркивает важность экологических требований к современным энергетическим установкам на транспорте.
Математическая модель процесса сажеобразования с учётом утечек рабочего тела из цилиндров дизеля
При постоянном общем количестве тепла, подводимом в смешанном цикле, соотношение между количествами тепла, подведёнными при V-const, P-const, может быть самым разнообразным. Известно, что наиболее экономичным будет цикл быстрого сгорания (при V-const), однако в реальных условиях реализовать его на дизельных двигателях не представляется возможным из-за высоких степеней сжатия ( = 12 — 20), поэтому наиболее экономичным для дизелей является цикл со смешанным подводом тепла /8/.
Рассматривая теоретический цикл со смешанным подводом тепла, имеющим утечку рабочего тела, можно отметить снижение термического КПД, вызванного перераспределением доли тепла /170/. При этом количество отведённого тепла увеличивается. Для увеличения термического К\ ІД цикла необходимо изменить закон подвода тепла (увеличить долю тепла, подведённого при V-const и уменьшить долю тепла, подведённого при P-const).
Реальные процессы, происходящие в двигателях, не позволяют ограничиваться рассмотрением идеального цикла, однако помогают определить пути улучшения показателей работы дизеля. Полнота сгорания в цилиндрах дизеля связана, прежде всего, с оптимизацией рабочего процесса двигателя. В этой связи следует отметить, что наряду с изменением конструктивных элементов (формы и объёма камеры сгорания и др.), на дымность ОГ дизеля значительное влияние оказывает изменение значений регулировочных параметров ТА/5, 6, 11,22,54,69, 116/.
Одной из причин наличия в ОГ дизеля продуктов неполного сгорания является горение плохо смешанных топлива и воздуха/174/.
Для обеспечения быстрого и полного сгорания топлива необходимо в процессе впрыскивания топлива обеспечить максимальное увеличение поверхности контакта жидкости с воздухом для интенсивного тепломассообмена /8/. Качество распыливания определяет макро- и микроструктуру рабочей смеси в дизеле, которая в сочетании с газодинамическим состоянием заряда в рабочей полости обусловливает физико-химическую подготовку топлива к воспламенению и сам процесс его горения /155/. При неравномерной макроструктуре смеси часть топлива сгорает при недостатке кислорода, в то время как часть воздуха, имеющегося в камере сгорания, не используется /155/.
При объёмном способе смесеобразования совершенство приготовления топливо-воздушной смеси достигается в основном за счёт качественного распыливания топлива /8/. С увеличением давления впрыскивания повышается скорость течения топлива по каналам распылителя и скорость истечения топлива из распылителя в окружающую среду. В связи с этим, во-первых, усиливаются возмущения в струе топлива, приводящие к возникновению вихревых движений внутри струи и на периферии, и, во-вторых, вследствие усиления воздействия аэродинамических сил на поверхность струи при более высоких скоростях истечения повышается дробящее действие среды, в которую впрыскивается топливо /155/. В итоге совместного влияния указанных факторов значительно облегчается распад струи топлива и обеспечивается получение более мелких и однородных по размерам капелек топлива, т.е. повышается дисперсность, характеризующая качественный состав топлива в факеле по параметру диаметра капель топлива /8/.
Обобщённые данные по влиянию угла опережения впрыскивания топлива на дымность ОГ дизеля 14 12/14 согласно /166/ іде в - угол опережения впрыскивания топлива, п.к.в. При увеличении угла опережения впрыскивания топлива топливо попадает в воздух, находящийся под воздействием более быстро двигающегося поршня /166, 170/. В итоге задержка воспламенения практически не увеличивается, но процесс сгорания приближается к ВМТ /8/. Таким образом, для получения одинакового среднего давления цикла при увеличении угла опережения впрыскивания топлива нужно затратить меньше топлива, т.е. экономичность дизеля возрастает /8/. Уменьшение количества впрыскиваемого топлива (т.е. его цикловой подачи) приводит к увеличению а, что увеличивает полноту сгорания топлива и снижает выброс дизелем сажи /53/. Так, увеличение а с 1,35-1,4 до 1,Н резко улучшает рабочий процесс, индикаторный КПД возрастает на 8 14% /170/. Для подтверждения предположения о возможности снижения негативного влияния износа ЦПГ на показатели работы и дымность ОГ дизеля необходимо провести экспериментальные исследования по определению значений регулировочных параметров ТА.
Методика определения значений регулировочных параметров дополнительной эксплуатационной регулировки топливной аппаратуры
Основной тенденцией в проектировании систем снижения токсичности ОГ является создание многоступенчатых каталитических нейтрализаторов /110/. КН ОГ можно считать сложной технической системой по следующим причинам /110/: он имеет несколько составных частей, выполняющих свои функции и находящихся в разнообразных связях друг с другом, требуют систем управления и контроля, имеют множество происходящих в них гидравлических, физических и химических взаимно связанных процессов.
Была выявлена основная причина малого срока службы КН - конструкция нейтрализатора не обеспечивает каталитическому блоку - наиболее дорогостоящему и уязвимому элементу - требуемые условия работы.
В потоке газов постоянно находится всё количество катализатора. Между тем, количество ОГ на различных режимах отличается в десятки раз, что требует различного количества катализатора для их нейтрализации. Это существенно сказывается на сроке службы КН, особенно если учесть данные /18/ о том, на каких режимах чаще работает двигатель автомобиля. Так, на режиме холостого хода и переходных режимах - в среднем 45% от общего времени работы, на режимах средних нагрузок - 35% от общего времени, и лишь 30% от общего времени двигатель работает на режиме полных нагрузок. Не используется эффект саморегенерации, реализованный лишь в некоторых опытных конструкциях при техническом обслуживании (во время стоянки автомобиля дизель работает на номинальной частоте вращения коленчатого вала, при этом ОГ обтекают каталитический нейтрализатор, разогревая его). Исследователями фирмы Toyota /152/ установлено: в ОГ содержится количество кислорода, доста 94 точное для проведения регенерации (с помощью электронагревательного элемента) непосредственно в системе выпуска ОГ; необходимо лишь обеспечить сообщение торца регенерируемого блока с ОГ (без пропускания ОГ через фильтр). Дополнительная же воздухоподача приводит к оплавлению и последующему разрушению пористой структуры, повышает пожароопасность автомобиля /152/.
По данным /48/, соединения различных веществ, содержащихся в ОГ, неоднозначно взаимодействуют с активным компонентом и материалом носителя катализатора: сера концентрируется в поверхностной зоне катализатора и заметного влияния на активность катализаторов из благородных металлов не оказывает; существенное снижение эффективности катализа наблюдается из-за блокирования массопередачи отложениями смол и сажи. Па основании изученного зарубежного и отечественного опыта автором была разработана концепция построения систем снижения токсичности на основе каталитических нейтрализаторов отработавших газов /77-79, 85, 86, 88-90, 94, 95, 97, 98, 101, 103/: Во-первых, дымность ОГ дизеля в течение всего срока его службы не должна превышать уровень, ограниченный требованиями государственного стандарта. Необходимо проводить дополнительную регулировку топливной аппаратуры в зависимости от степени износа ЦІ И дизеля. Во-вторых, в потоке должно быть столько катализатора, сколько необходимо для нейтрализации ОГ. В-третьих, реакторы должны располагаться параллельно в потоке газов и разделены между собой газонепроницаемыми перегородками. В-четвёртых, один из реакторов должен быть постоянно изолирован от проникновения ОГ - это обеспечит его регенерацию под воздействием высокой температуры. В ходе исследований разрабатывались конструкции с целью реализации перечисленных принципов /122-124, 128-137/. Тогда возможно обеспечить циклическую работу каждого реактора в следующей последовательности (по мере падения каталитической активности): - работа на всех режимах; - работа на режимах от средних до полных нагрузок; - работа только на режимах полных нагрузок. После этого производится термическая регенерация реактора и цикл повторяется. Реализация этих подходов нашла своё отражение в предлагаемой конструкции /135/. На рис.3.11 а) показан продольный разрез нейтрализатора, на рис.3.11 б) -разрез нейтрализатора по А-А, на рис.3.11 в) -разрез нейтрализатора по Б-Б, на рис.3.11 г) - разрез нейтрализатора по В-В.
Каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержащий корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 патрубками, реакторы 8, 9,10,11,12,13,14 и 15 с катализаторами, расположенные параллельно потоку газов, и распределитель отработавших газов 4, выполненный в виде заключенного в корпус 1 диска. В передней части корпуса 1 по ходу потока газов и на внешней поверхности распределителя 4 выполнены диаметральные проточки, в образующейся полости которых установлены шарики 6, таким образом, распределитель 4 установлен подвижно относительно корпуса 1 с возможностью вращательного движения под действием давления отработавших газов, причем в нижней части корпуса 1 под распределителем 4 выполнен паз, в который установлен шариковый фиксатор 17, а на внешней поверхности распределителя 4 параллельно диаметральной проточке выполнены выемки 23 под шарик шарикового фиксатора 17, при этом на передней торцевой стенке распределителя 4 выполнен сектор холостого хода 18, угол которого равен углу сектора каталитического реактора, а в его полости расположены регенерационный сектор 19, образованный двумя внутренними перегородками 20 и 21 и задней торцевой стенкой, равный двум секторам холостого хода 18, регулировочная заслонка расхода отработавших газов 7 с возможностью вращательного движения относительно распределителя 4 под действием давления отработавших газов, установленная на оси 16, и жестко связанная с ней пружина 24 в зоне отсутствия прямого воздействия отработавших газов. На передней торцевой стенке распределителя 4 установлены диаметральные лопатки 25 и 26 под углом в направлении, противоположном вращению регулировочной заслонки расхода газов под действием давления отработавших газов.
Определение исходных данных для расчёта величины противодавления выпуску отработавших газов
Основной частью схемы является аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в состав которого входят: генератор импульс овна элементах Dl, R1, О; цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), состоящего из счетчиков импульсов на элементах D2.1, D2.2 и резистивной матрицы типа R-2R на элементах R3-R18, операционного усилителя А1; регистра на микросхеме D3. Также в состав схемы входит преобразователь кодов на микросхемах постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) D5, D6, дешифратор D4 и два семисегментных светодиодных индикатора на элементах HL4, HL5.
При измерении давления конца сжатия напряжение с датчика давления Д1 поступает на аналого-цифровой преобразователь. Генератор тактовых импульсов на элементе D1 формирует импульсы, поступающие на счетный вход двоичных счетчиков D2.1, D2.2, включенных последовательно. Выходы счетчиков образуют шину данных АЦП. Резистивная матрица, подключенная к выходам счетчиков, обеспечивает учет весового множителя на них, осуществляя цифро-аналоговое преобразование. С выхода резистивной матрицы ступенчато-возрастающее напряжение поступает на прямой вход операционного усилителя А1, включенного в режиме компаратора напряжений.
Как только напряжение на выходе резистивной матрицы сравняется с выходным напряжением датчика давления Д1 (напряжение с датчика изменяется в диапазоне 0-5 В, что соответствует изменению давления в диапазоне 0-4,0 МПа), на выходе компаратора А1 появляется сигнал высокого уровня, который поступает на стробирующий вход регистра D3, записывая в него соответствующее значение счетчиков D2.1, D2.2. На этом цикл аналогово-цифрового преобразования заканчивается. После переполнения счетчиков D2.1, D2.2 их значения обнуляются, и цикл аналогово-цифрового преобразования повторяется.
Выход регистра D3 соединен с адресной шиной преобразователя кодов, выполненного на микросхемах ПЗУ D5, D6, в которых записаны коды значений измеренного и регулировочных параметров для их индикации на семисегментных светодиодных индикаторов HL4, HL5. Кнопки S1.2, S2.2, S3.2 служат для управления запятой на индикаторе HL4. Галетный переключатель S4, который имеет четыре положения, подключен к старшим линиям шины адреса ПЗУ А12 и All, распределяя таким образом все адресное пространство на четыре зоны, в которых находятся данные соответственно по четырем типам двигателей. Кнопка S5 («Замер»), не указанная на данной схеме предназначена для фиксации на индикаторе значения давления при условии неустойчивых показаний. Кнопка S5 подает напряжение низкого уровня на генератор импульсов на элементе D1 через сопротивление R2, останавливая его и на индикаторах HL4, HL5 происходит фиксация значения. Кнопка S6, соединенная с кнопкой S5 механически, отключает ее, при этом на генератор импульсов подается сигнал высокого уровня, разрешающий его работу. Дешифратор D4 подключает один из светодиодов HL1, HL2, HL3 (индикация состояния двигателя), соответствующего определенным значениям показания давления конца сжатия. Результаты теоретического и экспериментального исследований позволили разработать методику /73-75, 87, 91, 92, 99, 100, 102/ обеспечивающую ограничение уровня дымности в условиях эксплуатации. Проведение дополнительной регулировки требуется 2-3 раза за весь период эксплуатации и совмещается с проведением работ по ТО дизеля. Оно включает в себя подготовительный, основной и заключительный этапы. К подготовительному этапу относится чистка и мойка дизеля, изучение информации водителя о работе дизеля, подготовка дизеля к диагностированию, проверка комплектности и крепления деталей приборов систем и механизмов, устранение мелких неисправностей, подготовка и монтаж на дизель диагностических приборов и приспособлений. К основному этапу относится непосредственно измерения давления конца такта сжатия и запись в диагностическую карту результатов. Заключительный этап включает анализ результатов диагностирования, оценку состояния дизеля, определение необходимости проведения дополнительной регулировки ТА и значений регулировочных параметров (или необходимости ремонта). Блок-схема проведения дополнительной регулировки ТА представлена на рис. П.15.1. Выполненные исследования показали, что методика проведения дополнительной регулировки топливной аппаратуры может быть рекомендована к применению при использовании по назначению автомобилей и тракторов. Инструкцией по эксплуатации предписано снимать с двигателя форсунки ежегодно при сезонном обслуживании, а ТНВД - 1 раз в 2 года для проверки и регулировки на стенде. Для снижения трудоёмкости регулировки целесообразно совмещать её с проведением данных операций. В этом случае ко всем операциям, предусмотренным инструкцией по эксплуатации, добавляется только измерение давления конца сжатия в цилиндрах дизеля. Однако, в случае повышения дымности ОГ, используя разработанную методику, необходимо безотлагательно выявить причину нарушения протекания рабочего процесса двигателя. Малые габариты и масса прибора, возможность его подключения к бортовой сети автомобиля (трактора) способствует его более широкому внедрению.
