Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка проблемы. цель и задачи исследований 18
1.1. Масштабы и факторы воздействия автотракторного парка на природную среду 18
1.2. Состав и образование основных токсичных компонентов отработавших газов дизелей 23
1.3. Токсичность основных компонентов отработавших газов дизелей... 32
1.4. Оценка и нормирование вредных выбросов дизелей 37
1.4.1. Отечественные и международные природоохранные стандарты... 37
1.4.2. Методы и приборы для анализа отработавших газов 41
1.5. Основные направления снижения вредных выбросов дизелей при эксплуатации 46
1.5.1. Средства воздействия на рабочий процесс двигателя 46
1.5.2. Средства очистки отработавших газов в выпускной системе двигателя 66
1.6. Выводы. Цель и задачи исследования 81
2. Общая методика исследований 84
2.1. Программа исследований 84
2.2. Методика теоретических исследований 85
2.3. Методика экспериментальных исследований 89
2.3.1. Оборудование и приборы для экспериментальных исследований... 91
2.3.2. Особенности используемых методик экспериментальных исследований 101
2.3.3. Тарировка приборов и оборудования, оценка точности и ошибок экспериментальных исследований 107
2.4. Выводы ПО
3 . Теоретические положення и моделирование рабочих процессов дизеля и средств снижения токсичных веществ . 111
3.1. Модели рабочих процессов в цилиндре дизеля 112
3.1.1. Модели индикаторного процесса дизеля 112
3.1.2. Модель тепловыделения в цилиндре дизеля с различными средствами снижения токсичных веществ 118
3.2. Теоретическое обоснование и моделирование средств воздействия на рабочий процесс дизеля 121
3.2.1. Устройство и принцип работы разделенной системы топливоподачи дизеля 121
3.2.2. Моделирование разделенной системы топливоподачи дизеля 124
3.2.3. Определение цикловой подачи топлива при использовании разделенной системы топливоподачи 128
3.2.4. Устройство и принцип работы системы рециркуляции отработавших газов дизеля 130
3.2.5. Модели молекулярных теплоємкостей 132
3.2.6. Выбор химического соединения для антидымной присадки, способ ее получения 136
3.2.7. Теоретическое обоснование механизма действия антидымной присадки на основе гидроксида железа (III) 140
3.3. Теоретическое обоснование и моделирование процессов в средствах очистки отработавших газов в выпускной системе дизеля... 152
3.3.1. Устройство и принцип работы термического нейтрализатора 152
3.3.2. Функциональная схема моделирования процессов в термическом нейтрализаторе 155
3.3.3. Анализ возможных химических реакций в термическом нейтрализаторе и их кинетика 156
3.3.4. Тепловой баланс термического нейтрализатора, определение оптимальной толщины его теплоизоляции 161
3.3.5. Сепарация сажи в циклоне термического нейтрализатора 166
3.3.6. Параметры газодинамического сопротивления термического нейтрализатора 170
3.3.7. Устройство и принцип работы сажевого фильтра 173
3.3.8. Функциональная схема моделирования процессов в сажевом фильтре 175
3.3.9. Математическая модель движения потока отработавших газов в сажевом фильтре 180
3.3.10. Модель динамики движения и сепарации сажи в закрученном потоке сажевого фильтра 185
3.3.11. Моделирование дисперсного состава сажи в отработавших газах дизеля 190
3.4. Оценивание параметров, точности и адекватности разработанных математических моделей 196
3.5. Выводы 197
4 . Параметрическая оптимизация средств снижения токсичных веществ и определение суммарной годовой токсичности при их установке на двигатель 198
4.1. Задачи параметрической оптимизации средств снижения токсичных веществ 198
4.2. Формирование критериев эффективности и оптимальности средств снижения токсичных веществ 200
4.3. Моделирование суммарной годовой токсичности дизеля, оборудованного средствами снижения токсичных веществ, в условиях эксплуатации 204
4.4. Выводы 212
5. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в средствах снижения токсичных веществ 213
5.1. Процессы сгорания в цилиндре дизеля с различными средствами снижения токсичных веществ 213
5.2. Газодинамические процессы в средствах очистки отработавших газов 217
5.2.1. Газодинамическое сопротивление 217
5.2.2. Особенности распределения и неравномерности потока отработавших газов 220
5.3. Гидравлические характеристики разделенной системы топливоподачи 230
5.4. Исследование показателей эффективности дизеля с различными средствами снижения токсичных веществ 236
5.4.1. Дымность отработавших газов 239
5.4.2. Концентрации оксида углерода 244
5.4.3. Концентрации оксидов азота 249
5.4.4. Результаты измерений уровня шума дизеля с сажевым фильтром 254
5.5. Результаты параметрической оптимизации средств снижения токсичных веществ 255
5.6. Результаты эксплуатационных исследований 261
5.7. Выводы 263
6. Технико-экономическая и экологическая оценка эффективности разработанных средств снижения токсичных веществ 265
6.1. Суммарная годовая токсичность выбросов дизеля с различными средствами снижения токсичных веществ в условиях эксплуатации 265
6.2. Оценка технико-экономических и экологических показателей средств снижения токсичных веществ 272
Общие выводы 276
Литература... 278
Приложения 303
- Масштабы и факторы воздействия автотракторного парка на природную среду
- Методика экспериментальных исследований
- Модели индикаторного процесса дизеля
- Устройство и принцип работы разделенной системы топливоподачи дизеля
Введение к работе
Состояние атмосферного воздуха, от которого зависят климат и биосфера Земли, является определяющим фактором для жизни человека, существования животного и растительного мира, плодородия почвы. В современных условиях развития человеческого общества все большее внимание уделяется качественному улучшению ресурса атмосферного воздуха и его охране.
Значительное загрязнение атмосферы происходит при получении различных видов энергии. На сегодняшний день наиболее распространенными источниками механической энергии для транспортных средств являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). При эксплуатации ДВС в атмосферу с отработавшими газами (ОГ) выбрасывается ряд токсичных соединений, что ведет к значительным изменениям в биосфере. В большей степени этому подвержены места концентрации автотракторной техники из-за локального загрязнения атмосферы. Сейчас в мире насчитывается около 1,5 млрд единиц автотракторной техники и ее количество увеличивается на 50 млн единиц в год [1].
Токсичные вещества, содержащиеся в ОГ автотракторных двигателей, могут сохраняться в атмосфере в течение длительного времени и переноситься на значительные расстояния. Атмосферный воздух можно рассматривать как вторичный реактор дообразования вредных веществ, токсичность которых в некоторых случаях значительно превышает токсичность первичных компонентов. Например, при переходе оксида азота (II) в оксид азота (IV) в атмосферном воздухе масса вредного вещества возрастает в 1,5 раза, а токсическое действие - в 7 раз [2].
Большую роль в загрязнении атмосферного воздуха играют дизели, которые по-прежнему остаются наиболее эффективными в энергетическом смысле і лшовыми машинами. Так при сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется 80...100 г токсичных компонентов (20...30 г оксида углерода (II), 20...40 г оксидов азота, 4...10 г углеводородов, 10...30 г оксидов серы, 0,8...1,0 г альдегидов, 3...5 г сажи и др.) [3]. Имея значительно меньшие, по сравнению с бензиновыми двигателями, выбросы СО и углеводородов, ОГ дизелей обладают достаточно высокой токсичностью из-за повышенного содержания оксидов азота, сажи и альдегидов. Эти выбросы попадают на растения и почву, снижают урожайность, ухудшают качество сельскохозяйственной продукции, оказываются в организмах животных и людей, в потребляемой ими пище.
Помимо отработавших газов одним из наиболее опасных параметрических загрязнений окружающей среды является транспортный шум. Вопросы борьбы с шумом в настоящее время приобретают социальное значение, так как человек находится в условиях постоянного дискомфорта на транспорте, производстве и быту. Транспортный шум имеет значительно больше негативных последствий для населения, чем производственный или бытовой шум, так как сфера его действия значительно шире, а физические параметры, характеризующие влияние шума на организм человека, несравнимо выше [4, 5].
В последнее время в связи с ростом парка дизельной автотракторной техники вводятся все более жесткие нормы на выбросы токсичных компонентов с ОГ. При этом необходимо отметить, что нормы по токсичности и дымности ОГ двигателей, принимаемые в Российской Федерации значительно отстают от аналогичных норм в США и Европейских странах. Так, Европа с 1 января 2005 года перешла на нормы «Euro-4», а в России введение норм «Euro-2» ожидается не раннее 1 января 2006 года (несмотря на то, что содержание токсичных соединений по нормам «Euro-2» и «Euro-4» различается в два и более раза).
Большинство автотракторных дизелей, выпускаемых серийно и эксплуатирующихся в настоящее время в РФ, могут соответствовать по , выбросам нормам «Euro-2» и выше только при . реализации дополнительных мероприятий, направленных на снижение их токсичности и дымности.
Существуют различные средства снижения токсичности и дымности ОГ автотракторных дизелей в эксплуатации, которые можно разделить на две группы: «Средства воздействия на рабочий процесс двигателя» и «Средства очистки ОГ в выпускной системе». Как показывает мировая и отечественная практика, в настоящее время одними из наиболее перспективных и эффективных средств снижения токсичных веществ в ОГ дизелей являются системы рециркуляции и разделенной топливоподачи, антидымные присадки в топливо, сажевые фильтры и нейтрализаторы. Это подтверждают доклады крупнейших мировых производителей автотракторной техники, посвященные совершенствованию и оптимизации вышеперечисленных средств, на Международном конгрессе «Автомобили и двигатели - новейшие достижения» (Германия, г. Аахен, октябрь, 2004 г.) [6].
Основная проблема, поставленная в диссертации, - разработка комплекса мероприятий, обеспечивающих эффективное снижение вредных выбросов при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Проблемная ситуация на данном этапе заключается в том, что широкое использование в агропромышленном комплексе страны тракторов, автомобилей и мобильной сельскохозяйственной техники, как правило, с высокой производительностью, вынуждает применять в качестве силовых установок высокофорсированные дизели, которые имеют повышенную экологическую опасность в силу значительного количества газообразных выбросов и высокой их токсичности, что в свою очередь ведет к значительным изменениям естественных экологических систем. По оценке специалистов, суммарная масса выбросов всех дизелей, находящихся в странах СНГ, составляет 14-18 млн тонн в год [7]. Вредные выбросы чрезвычайно опасно действуют на здоровье людей и животных, приводят к снижению урожайности, продуктивности животноводства, разрушению строительных материалов, повышенным концентрациям вредных веществ в кабинах мобильной техники и помещениях цехов. Поэтому законодательная власть вынуждена ужесточать требования нормативных актов по выбросам токсичных веществ ДВС. В свою очередь применение средств очистки отработавших газов, как правило, приводит к снижению мощностных и экономических показателей дизеля. Все это обуславливает необходимость разработки, совершенствования и внедрения средств снижения токсичных веществ в ОГ дизелей (ССТВ), обладающих высокими показателями по очистке и ресурсу работы, а также минимальным воздействием на эксплуатационные показатели мобильной техники.
В настоящее время это является одной из важнейших задач при конструировании и эксплуатации автотракторных дизелей, как в Российской Федерации, так и за рубежом.
Актуальность работы подтверждается тем, что исследования проведены в соответствии с Федеральной программой № 04.01.06. на 2001-2005 гг., выполняемой совместно с Всероссийским научно-исследовательским и проектно технологическим институтом по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ГНУ ВИИТиН, г. Тамбов), научным направлением 1.2.9 «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 г.» (№ гос. регистрации 840005200), региональной научно-технической программой «Повышение уровня механизации АПК Саратовской области», «Концепцией развития АПК Саратовской области до 2005 г.», а также в соответствии с комплексной темой № 5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова «Повышение ..-.. надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».
Цель работы. Улучшение экологических показателей автотракторных дизелей воздействием на рабочий процесс двигателя и совершенствованием средств очистки отработавших газов, обеспечивающих эффективное снижение вредных выбросов при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Объект исследований. Дизель 44 11/12,5 и его модификации (Д-240, Д-242, Д-243), оборудованный средствами снижения токсичных веществ в отработавших газах.
Предмет исследований. Газодинамические, гидравлические, тепловые и химические процессы, протекающие в средствах снижения токсичных веществ (ССТВ) при работе дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах.
Методика исследований основана на применении современных методов и измерительных приборов. Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений законов газовой динамики и тепломассообмена, теории многомерного статистического оценивания и математического моделирования. Индицирование дизеля проводилось измерительно-вычислительным комплексом с интерфейсом КАМАК. Для замера дымности использовали дымомер СМОГ-1, концентрации токсичных компонентов регистрировались газоанализатором TESTO-350, уровень шума измерялся шумомером ВШВ-003-М2. Моделирование процессов в дизеле и ССТВ, их оптимизация, а также обработка экспериментальных данных проводились с помощью современного программного обеспечения (пакеты прикладных программ MATLAB 6.5).
В работе теоретически обоснована и решена научная проблема повышения экологической безопасности автотракторных дизелей с разработкой на основе математического моделирования рабочих процессов в двигателе средств снижения токсичных веществ, пригодных для практического использования, при исследовании и обобщении показателей и характеристик ССТВ, решении задач параметрической оптимизации средств очистки отработавших газов, обеспечивающих их эффективность на различных эксплуатационных режимах.
Научная новизна заключается в комплексном подходе к решению проблемы снижения вредных выбросов дизелей, в результате которого:
— разработана и обоснована методика моделирования тепловыделения в цилиндре дизеля с различными средствами снижения токсичных веществ;
— разработаны математические модели гидравлических, тепловых и химических процессов, протекающих в средствах снижения токсичных веществ при работе дизеля;
— установлены и теоретически исследованы закономерности распределения локальных скоростей потока отработавших газов в элементах конструкций ССТВ, на основании которых разработаны математические модели газодинамического сопротивления потока ОГ, а также динамики движения и улавливания твердых частиц сажи внутри устройств;
— теоретически обоснованы конструкции эффективных средств снижения токсичных веществ в отработавших газах дизелей;
— предложены и обоснованы критерии эффективности и оптимальности для параметрической оптимизации средств снижения токсичных веществ в отработавших газах дизеля;
— разработана методика определения годовой суммарной токсичности дизеля, оборудованного средствами снижения токсичных веществ, с учетом различных скоростных и нагрузочных режимов его работы в условиях эксплуатации.
Практическая ценность работы заключается в разработке эффективных средств снижения токсичных веществ в отработавших газах дизелей: разделенной системы топливоподачи, системы рециркуляции отработавших газов, антидымной присадки в топливо, термического нейтрализатора и сажевого фильтра, позволяющих снизить выбросы сажевых частиц - на 55...70%, NOx - на 60...70%, СО - на 40...45%, уровень шума - до 7%.
Конструкции разработанных средств снижения токсичных веществ защищены патентами РФ № 2119065, 2158845, 2183751, 2251016 и положительным решением о выдаче патента РФ № 2004107477/04(007788).
Результаты исследований могут быть использованы сельскохозяйственными и другими предприятиями АПК России, эксплуатирующими мобильную технику, научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке средств снижения токсичных веществ для любых типов дизелей, а также в учебном процессе вузов аграрного образования при изучении дисциплины «Тракторы и автомобили».
Реализация результатов исследований. Экспериментальные средства снижения токсичных веществ, установленные на тракторах МТЗ-80, МТЗ-82 и автомобилях ГАЗ-53А, ГАЗ-3307 (переоборудованные на дизель 44 11/12,5), прошли производственную проверку и приняты к внедрению в ряде хозяйств Саратовской области: ОАО «Аркадакский элеватор» Аркадакского района, ООО «Агро-МТС», ООО «Интеграл», ТОО «Ударник» Лысогорского района, АОКХ «Кольцовское» Калининского района, Учебно-фермерское хозяйство Поволжского межрегионального учебного центра (с. Долгий Буерак, Саратовского района).
Разработанные в диссертации средства снижения токсичных веществ рекомендованы Волгоградским тракторным заводом (ОАО «Тракторная компания «ВгТЗ») к внедрению на тракторных дизелях, а также Министерствам транспорта и дорожного развития Саратовской области -.на дизельном. грузовом транспорте и автобусах в г. Саратове и районных центрах Саратовской области.
Опытный образец нейтрализатора отработавших газов дизеля отмечен дипломом Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (г. Москва, октябрь 2003 г., ВВЦ).
В работе определены и выносятся на защиту следующие научные положения:
1. Теоретические предпосылки решения проблемы повышения экологической безопасности автотракторных дизелей воздействием на рабочий процесс двигателя и применением эффективных средств очистки отработавших газов.
2. Методика моделирования тепловыделения в цилиндре дизеля с ССТВ и математические модели газодинамических, гидравлических, тепловых и химических процессов, протекающих в средствах снижения токсичных веществ при работе дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах.
3. Критерии эффективности и оптимальности для параметрической оптимизации средств снижения токсичных веществ в отработавших газах дизеля.
4. Методика определения годовой суммарной токсичности дизеля с ССТВ в условиях эксплуатации.
5. Результаты комплексных экспериментальных исследований дизелей, оборудованных средствами снижения токсичных веществ, и рекомендации по применению разработанных ССТВ в условиях эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (1996-2005 гг.), на межгосударственных научно технических семинарах «Проблемы -экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (1996-2005 гг.), проводимых ИМЭСХ Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова, на Международной научно-технической конференции «Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств» (г. Саратов, СГТУ, 1995 г.), на 3-й Международной конференции «Экология. Экологическое образование. Нелинейное мышление» (г. Воронеж, ВГУ, 1997 г.), на Российской научно-практической конференции, посвященной 200-летию Саратовской губернии «Экология, здоровье и природопользование» (г. Саратов, Саратовская государственная сельскохозяйственная академия, 1997 г.), на Всероссийской конференции «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Саратов, СГУ, 1997 г.), на научно-технических конференциях СГТУ (г. Саратов, 1997-2002 гг.), на научной конференции, посвященной 275-летию Российской академии наук (г. Саратов, 1999 г.), на Международной научно-технической конференции «Сельскому хозяйству - техническое обеспечение XXI века» (г. Москва, ВИМ, 2000 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию МГАУ им. В.П. Горячкина «Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики» (г. Москва, 2000 г.), на Международном конгрессе «Автомобили и двигатели -новейшие достижения» (Германия, г. Аахен, 2000 г., 2004 г.), на научно-технических конференциях «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (г. Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2002-2003 гг.), на научно-техническом совете Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (г. Тамбов, ВИИТиН, 2003 г.), на международной научно-практической конференции «Ульяновские чтения» (г. Саратов, СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2005 г.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 55 работах, в том числе в монографии и 4 патентах. Из указанных работ 7 опубликованы в изданиях, поименованных в «Перечне...» ВАК Минобразования и науки РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 24,5 печ. л., из них лично автору с учетом долевого участия в коллективных публикациях принадлежит 14,7 печ. л.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 354 страницах, состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений, содержит 17 таблиц и 109 рисунков. Список литературы включает в себя 262 наименования, из них 18 на иностранных языках.
Масштабы и факторы воздействия автотракторного парка на природную среду
Широкомасштабное использование техники в сельском хозяйстве способствует росту производительности и эффективности труда, однако оно сопряжено с отрицательными последствиями, исключение и минимизация которых является Одной из первостепенных задач «экологизации» аграрного сектора. При эксплуатации тракторов и автомобилей существует множество факторов, отрицательно влияющих на окружающую среду (рис.1.1).
Из рис. 1.1 следует, что основными видами воздействия автотракторной техники на природную среду являются: газообразные, твердые и жидкие выбросы, выбросы теплоты, истощение ресурсов и выбросы, связанные с производством мобильной техники, а также дискомфорт и ДТП.
Серьезную опасность представляют аварийные и эксплуатационно-технологические разливы топливно-смазочных материалов. Повсеместно растет загрязнение окружающей среды аккумуляторной кислотой, консервантами, моющими средствами, охлаждающей жидкостью и другими эксплуатационными материалами, а также продуктами коррозии [8]. Необходимо учитывать также аварийные ситуации и случаи возгорания техники, которые, несмотря на свою непредсказуемость, имеют место.
При истирании тормозных колодок в воздух и почву попадают медь, ванадий, молибден, никель, хром, а при износе покрышек - кадмий, свинец, цинк [9]. Особая опасность этих выбросов заключается в том, что в них содержится сажа, способствующая глубокому проникновению тяжелых металлов в организм человека.
На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. Как видно из рис. 1.1 автотракторным парком в мире выбрасывается в атмосферу 20...27 млн т оксида углерода (И), 2...2,5 млн т углеводородов, 6...9 млн.т оксидов азота, 200...230 млн т оксида углерода (IV), а также до 100 тыс. т сажи [10] . В Российской Федерации только дизелями тракторов и комбайнов выбрасывается свыше 5 млн т вредных веществ в год [7] (табл. 1.1.).,
Факторы и масштабы воздействия автотракторного парка на природную среду При оценке последствий загрязнения, атмосферы на территории различных районов следует учитывать степень промышленного развития, географические и климатические условия этих районов, а также количество автотракторной техники и места ее концентрации. В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих веществ в атмосферу, сконцентрированных, в основном, в крупных городах и индустриальных районах, а также вдоль автомагистралей, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность [10]. Токсичность ОГ дизелей во многом зависит от качества дизельного топлива. Показано [11], что при уменьшении содержания серы в топливе с 0,31 до 0,03% содержание NOx в ОГ снижается на 0,2-1,8%, СНХ - на 24,4%, сажи - на 13,2-22,6%.
Увеличение цетанового числа топлива с 45 до 51 [12, 13, 14] приводит к уменьшению периода воспламенения, жесткости работы двигателя и максимального давления сгорания. Как следствие, снижается дымность при пуске и средних нагрузках. На повышенных нагрузках цетановое число практически не оказывает влияния на дымность, хотя на этом режиме происходит интенсивный выброс сажи. На величину выбросов вредных веществ с ОГ сильно влияет техническое состояние двигателя, например, в дизелях любая неисправность элементов системы топливоподачи повышает дымность ОГ, а выработка моторесурса двигателя увеличивает выброс токсичных веществ (табл. 1.2). Так, из-за износа деталей цилиндропоршневой группы дымность может увеличиться в два раза [15]. Таблица 1.2 Влияние технического состояние двигателя на выброс вредных веществ с ОГ Вид неисправности Изменение выбросов, % Изменениерасхода топлива,% со СН NOx Дымность Разрегулирование ТНВД +5...5D +5...25 25...+25 +25..100 +5...25 Нарушение углаопережения началавпрыскивания топлива +5...5D 0...25 -100.. +100 -25...+50 +5...25 Износ основных ДЕталей двигателя +50 +100 -25 +100 +15 Неисправность форсунок +25...5D +50...100 -25 -25+25 +10...20 Повышенное сопротивление впуску воздуха и выпуска ОГ +5D...1DD +50...100 -50 +100 +15 Повышенное сопротивление движению Увеличение до 20 % +5...20 На количество вредных веществ в ОГ дизеля существенное влияние оказывает также угол опережения начала впрыска топлива 9 [12, 16, 17, 18, 19, 20, 21]. Известно, что уменьшение угла впрыска топлива приводит к уменьшению образования оксидов азота. Однако при этом возрастают выбросы сажи и ухудшаются мощностные и экономические показатели двигателя. ..." - 23 Негативное влияние на дымность оказывают и такие факторы, как уменьшение давления подъема иглы форсунки и закоксовывание ее сопловых отверстий, забивание воздушного фильтра [2, 12,16, 17, 18]. Неисправности трансмиссии и ходовой части автотракторной техники увеличивают потребляемую мощность, а, следовательно, и расход топлива, что также приводит к росту выбросов вредных веществ с ОГ. Из вышеизложенного следует, что большинство факторов, отрицательно влияющих на экологические показатели дизелей в условиях эксплуатации, можно устранить своевременным проведением технических обслуживании и текущих ремонтов.
Методика экспериментальных исследований
Основу методик экспериментальных исследований опытных образцов средств снижения токсичных веществ в ОГ дизеля составляют типовые, апробированные методики испытаний. Использование типовых методик обеспечивает: возможность качественного сравнения результатов полученных от изучаемых подобных объектов, большую точность оценки выделенных закономерностей, исключения в анализе влияния неучтенных факторов. К экспериментальным исследованиям относятся исследования нагрузочных и скоростных режимов дизеля с различными средствами ойижения токсичных веществ, - v также факторов Способствующих- 90 снижению токсичности и дымности ОГ двигателя. Работа дизеля с ССТВ характеризуется сложными процессами его взаимодействия с внешней средой и процессами влияния на основные показатели двигателя, а также взаимным влиянием процессов в широком диапазоне режимов, определяемых конкретными условиями эксплуатации. Функциональные качества машинно-тракторного агрегата с дизелем, оснащенным ССТВ, могут рассматриваться как сумма отдельных взаимосвязанных эксплуатационных свойств: тягово-скоростных, топливно-экономических и экологических. Поэтому для повышения эффективности и успешного решения задач экспериментальных исследований, испытания дизеля с ССТВ должны быть комплексными, опираться на научно-обоснованные методы и оснащены необходимым измерительным оборудованием. В связи с вышеизложенным определены задачи экспериментальных исследований: 1. Провести лабораторные термографические исследования химического вещества антидымной присадки для оценивания его каталитических свойств. 2. Провести гидравлические исследования разделенной системы топливоподачи. 3. Провести индицирование рабочего процесса в цилиндре дизеля 44 11/12,5 с ССТВ на испытательном лабораторном стенде с нагрузочным устройством. 4. Осуществить измерение основных технико-экономических показателей и статических характеристик дизеля с ССТВ при работе на различных скоростных и нагрузочных режимах. 5. Измерить основные показатели и характеристики потока отработавших газов дизеля в элементах средств снижения токсичных веществ: перепад газодинамического давления, расходы . и локальные скорости потока ОГ, концентрации токсичных компонентов и сажи в ОГ (СО, NOx, СНХ, С и др.). 6. Провести замеры изменения звукового давления (аэродинамического шума) на основных режимах работы дизеля, оснащенного сажевым фильтром. 7. Провести эксплуатационные исследования автотракторных дизелей, оборудованных средствами снижения токсичных веществ: термическим нейтрализатором, сажевым фильтром, системой рециркуляции, разделенной системой топливоподачи и антидымной присадкой. Качество и точность экспериментальных исследований существенно зависят от используемых современных приборов и измерительного оборудования. Оборудование и приборы для экспериментальных исследований
С целью изучения каталитических свойств разработанной присадки в топливо были проведены ее лабораторные термографические исследования. Термографические исследования (дифференциально-термический анализ) проводились на дериватографе в интервале температур от 20С до 1000С в потоке воздуха. Скорость повышения температуры составляла 10 град/мин. Температура определялась с помощью платина-платинородиевых термопар. Схема дериватографа показана на рис. 2.2. Рис. 2.2. Схема дериватографа Установка (дериватограф) работает автоматически, кривые характеризующие наблюдаемые изменения записываются на светочувствительной бумаге, закрепленной на фоторегистрационном вращающемся барабане 12. Бумага разлинована на калибрационные линии температуры и веса. Гидравлические исследования разделенной системы топливоподачи проводились на экспериментальной установке, включающей в себя: 1. Стенд для испытания топливной аппаратуры КИ-22205-01. 2. Топливный насос высокого давления 4 УТН-М. 3. Систему топливопроводов высокого давления. 4. Блок обратных клапанов с присоединительными штуцерами. 5. Штатные форсунки ФД-22. 6. Форсунку ФД-22, установленную на воздушном трубопроводе (коллекторе). Общий вид экспериментальной установки для гидравлических исследований разделенной-системы топливоподачи показан на рис. 2.3. Регулировка штатных" форсунок на давление впрыска осуществлялась прибором КИ-15706-ГОСНИТИ. При этом давление начала впрыска устанавливалось значением 17,5+ МПа.
Модели индикаторного процесса дизеля
Моделирование индикаторного процесса двигателя подразумевает установление функциональной связи между давлением газа в цилиндре в результате воздействия на рабочее тело поршня, выделением и отводом теплоты, переменностью массы самого рабочего тела. Решение этой задачи применительно к ДВС, как следует из ее постановки, должно основываться на первом начале термодинамики переменной массы [142, 161, 162, 163,164, 165] п dQ±ZijdMj=d(Mu)+pdV, (3.1) 1 где dQ - элементарное количество теплоты, подведенное к рабочему телу; Y, idM - поток энтальпии [внесенный (+) и вынесенный (-)] с элементарными массами dMj из объема V; р - давление в цилиндре. п Согласно закону сохранения массы dMj = dM. 1 В процессе газообмена параметры состояния рабочего тела непрерывно изменяются. Во время свободного выпуска уменьшается масса рабочего тела, находящегося в цилиндре, падает давление и, как следствие, изменяется температура. То же самое наблюдается при наполнении цилиндра свежим зарядом. Таким образом, характерной особенностью процесса газообмена является протекание процессов при М Ф const. При этом наряду с переменностью массы рабочего тела следует предположить отсутствие термического равновесия между зарядом и стенками цилиндра; рабочее тело обладает свойствами идеального газа; кроме того, процессы, совершаемые над ними, - квазиравновесны. Будем считать, что в процессе газообмена переменны как давление/?, так и объем цилиндра V, и температура рабочего тела Т. В соответствии с первым началом термодинамики: iodM = d(Mu) + pdV + dQw, (3.2) где /о, і — соответственно энтальпия рабочего тела, поступающего в цилиндр в процессе впуска и покидающего его при выпуске; dM - элементарная масса рабочего тела; М - масса рабочего тела в цилиндре; и - удельная внутренняя энергия рабочего тела в цилиндре; dV - изменение объёма цилиндра; Qw - теплота, полученная (отданная) рабочим телом в результате теплообмена. Преобразуем уравнение (3.2), с учетом того, что U = сР-То, аг/ = СУ-Т(СРИ СУ - соответственно изобарная и изохорная теплоёмкости; То - температура рабочего тела, поступающего в цилиндр). Тогда
Взяв логарифмические производные от уравнения pV = M-R и выразив относительное изменение температуры, получим Уравнения (3.7) и (3.7а) связывают относительные изменения массы и объёма цилиндра, а также условия теплообмена с относительным изменением давления в цилиндре в процессе газообмена. Чтобы получить выражение, удобное при интегрировании, правую и левую части уравнения (3.7) разделим на элементарный угол поворота коленчатого вала d p,B течение которого происходит изменение массы dM, объёма dVn др. Тогда dp/d(p = pfcpo Tc/Cv-dlnV/dcp-1/M-Cv-dQw/dcp), (3.8) т.е. найдём дифференциальное уравнение скорости изменения давления в цилиндре двигателя при газообмене. Дифференциальное уравнение скорости изменения давления в процессе горения —расширения Если исходить из первого начала термодинамики переменной массы, имеем dQnod + i-dMr- i-dMH = d(Mu) + p-dV + dQw, (3.10) где dQnod = g4-QH-dx - количество теплоты, выделившееся при сгорании элементарной относительной массы топлива g4dx; QH- низшая теплотворность топлива; i-d-Мн = Cp-g dx - энтальпия газа, поступающего в объем цилиндра при сгорании массы топлива, равной g dx, i-d-Мн - энтальпия заряда, потерянная через неплотности камеры сгорания. Как и в предыдущих случаях, считая, что і = сР-Т и и = Cv и полагая, что в окрестностях рассматриваемой точки сР - const и cv = const, преобразуя выражение (ЗЛО) и деля все его члены на мгновенный запас внутренней энергии в цилиндре (Mcv) получаем Выражая из (3.11) относительное изменение температуры dT/T и сопоставляя его с таковой из характеристического уравнения p-V- = М-Р-Т, получим dp/dcp =p[g4/M-(QH/cv- Т+ k)-dx/d(p - k/M-dMn/d(p - k-dlnV/d p UMcvT-dQJd(p. (3.12) При определенных предпосылках уравнение (3.12) упрощается. Так, если не считаться с потерей рабочего тела через неплотности камеры сгорания, то dM.H = 0 и уравнение будет иметь вид Дифференциальное уравнение скорости изменения давления в процессе сжатия Для получения этого уравнения воспользуемся уравнением (3.12). На самом деле, исходными условиями для описания данного процесса будут те же предпосылки, что и для процесса горения - расширения, но при отсутствии подвода теплоты от сгорания топлива, dp/dcp=0 и считая, что потери массы dM = dMH, получим уравнение скорости изменения давления на участке сжатия Если отсутствует необходимость считаться с потерей массы рабочего тела через неплотности (потери через замки колец, негерметичность клапанов), то уравнение (3.13) примет вид Относительное изменение объема цилиндра Текущий объем цилиндра определяется по формуле: где Vh- объем описанный поршнем; є - степень сжатия; X - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; ср - мгновенное значение угла п.к.в. В связи с тем, что є для данного двигателя - величина постоянная, приращение объема цилиндра на основании формулы (3.14) будет равно dV = Vy/2- (sirup + m-sin2(p)d(p. (3.15) Относительное изменение объема цилиндра на основании (3.14) и (3.15) составит dV/V = (sirup + M2-sin2(p)d(p/2-[l/(E - 1) + 1/2-(1 - cos p + X/2-sin2(p)]. (3.16) В свою очередь, положение поршня Н складывается из высоты камеры сгорания S/(E-1) И величины перемещения поршня, что в сумме дает
Устройство и принцип работы разделенной системы топливоподачи дизеля
В результате проведенного анализа имеющихся систем разделенной (двухфазной) топливоподачи, улучшающих экологические показатели работы дизеля, нами разработана усовершенствованная система разделенной топливоподачи дизеля (патент РФ № 2158845) (рис. 3.1) [174, 175, 176]. Разделенная система топливоподачи включает в себя установленные на дизеле 1 основные форсунки 2, соединенные с помощью топливопровода высокого давления 3 , тройника (переходника) 4, с секциями ТНВД 5. На воздушном трубопроводе 6 установлена дополнительная форсунка 7, которая, в свою очередь, гидравлически связана топливопроводом высокого давления 8, блоком обратных клапанов 9, топливным аккумулятором 10 и блоком управления 11 с секциями топливного насоса высокого давления (через тройники 4). ТНВД связан с топливным баком 12, в котором размещается топливо, вентилем 13, топливным фильтром грубой очистки 14, топливным фильтром тонкой очистки 16 и подогревателем топлива (теплообменником) 17 с помощью топливопровода низкого давления 18. Излишки 1 -двигатель; 2-форсунки цилиндровые (№ 1-4); 3, 8-топливопроводы высокого давления; 4 - тройники; 5 - ТНВ Д; 6 - трубопровод воздушный; 7 - форсунка дополнительная; 9 - блок обратных клапанов; 10 - аккумулятор топливный; 11 - блок управления; 12 - бак топливный; 13 - вентиль; 14 - фильтр грубой очистки топлива; 15 - насос топливоподкачивающий; 16 - фильтр тонкой очистки топлива; 17-теплообменник; 18, 19-топливопроводы низкого давления; 20, 21 -магистрали сливные топлива из форсунок 2 и форсунки 7 стекают, соответственно, по трубопроводам 20 и 21 в бак 12. Система разделенной топливоподачи дизеля работает следующим образом. Топливо из топливного бака 12 топливоподкачивающим насосом 15 подается через фильтры 14 и 16 при открытом вентиле 13 в ТНВД 5. При температуре окружающей среды ниже +5 С топливо может подогреваться с помощью теплообменника 17, установленного в одной из магистралей 123 системы топливоподачи. В соответствии с порядком работы цилиндров двигателя (1-3-4-2) секции ТНВД (I...IV) подают по топливопроводу высокого давления 3 поток топлива, который после тройников 4 поступает к штатным форсункам (I ступень), и по топливопроводу высокого давления 8 к дополнительной форсунке 7, установленной на воздушном трубопроводе 6 (II ступень).
В линии топливопроводов высокого давления 8, подающих топливо к дополнительной форсунке 7, устанавливается блок обратных клапанов 9, топливный аккумулятор 10, блок управления 11. Топливный поток от секций ТНВД 5 через блок обратных клапанов 9 и топливопроводы высокого давления поступает в топливный аккумулятор 10, при помощи которого колебания давления топлива, подаваемого каждой секцией ТНВД к форсункам 2 и 7, уменьшаются. Блок управления 11, представляющий собой электромагнитный клапан, связан электрической цепью с датчиком, установленным на маховике коленчатого вала двигателя. При частоте вращения коленчатого вала двигателя п 1000 мин"1 электрический сигнал от датчика, установленного на маховике поступает к электромагнитному клапану, и магистраль высокого давления топлива 8 перекрывается, подача топлива через форсунку 7 в воздушный трубопровод 6 прекращается.
Топливный аккумулятор позволяет получать равномерную подачу топлива от секций ТНВД к дополнительной форсунке 7, что обеспечивает качественное распыливание топлива в воздушном трубопроводе, повышение экономических и экологических показателей работы двигателя. Блок управления 11 позволяет производить как автоматическое - при п 1000 мин"1, так и принудительное отключение (включение) П-й ступени, что позволяет улучшить экономические показатели работы предложенной системы разделенной топливоподачи.
Предварительно поданная в трубопровод 6 дополнительной форсункой 7 первая часть цикловой дозы топлива на такте впуска распыливается на мелкие капли, испаряется и интенсивно перемешивается с воздухом. В хорошо подготовленную топливовоздушную смесь впрыскивается с помощью цилиндровых штатных форсунок вторая часть цикловой дозы. В этом случае происходит более полное сгорание топлива без существенного выброса с отработавшими газами сажи, а также токсичных и канцерогенных веществ.
