Содержание к диссертации
Условные обозначения, переменные и сокращения 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
Воздействие автотракторной техники на окружающую среду 11
Состав и токсичность компонентов отработавших газов дизелей 14
Мероприятия по снижению вредных выбросов дизелей 19
Системный анализ устройств для снижения токсичных выбросов в выпускной системе дизеля 23
Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизеля 23
Анализ сажевых фильтров отработавших газов дизелей 25
Анализ теоретических методов исследования процессов в сажевом фильтре 35
Обоснование схемы сажевого фильтра 46
Выводы. Цель и задачи исследования 49
2. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ПРОВОДИМЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 51
Структура программы исследования и ее нормативное обеспечение 51
Методика теоретических исследований сажевого фильтра 55
Методика проведения параметрической оптимизации сажевого фильтра 56
Методика экспериментальных исследований 57
Задачи экспериментальных исследований 58
Оборудование используемое для стендовых и эксплуатационных испытаний сажевого фильтра 59
Особенности используемых методик экспериментального исследования сажевого фильтра 65
2.4.4.Обработка результатов испытаний, оценка точности и ошибок эксперимен
тальных исследований 69
2.5. Выводы 72
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЫБРОСОВ В
ИССЛЕДУЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ САЖЕВОГО ФИЛЬТРА 73
Функциональная схема системы сажевого фильтра для математического моделирования 74
Математическая модель движения потока отработавших газов в зоне за лопаточным закручивающим устройством с диффузором и осевым подводом потока ОГ 78
3.3. Математическая модель динамики движения и сепарации сажи в закрученном
потоке струи ОҐ и ее диффузии в фильтрующих элементах сажевого фильтра...82
3.4. Математические модели дисперсного состава сажи в отработавших газах ди
зеля 85
Математическая модель параметрической оптимизации СФ 91
Математические модели статистических оценок эффективности работы машинно-тракторного агрегата с сажевым фильтром 92
Оценивание параметров точности и адекватности математических моделей процессов в сажевом фильтре 99
Выводы 101
4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИС
СЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В САЖЕВОМ ФИЛЬТРЕ ОГ ДИ
ЗЕЛЯ 102
Результаты исследования особенностей распределения и неравномерности потока отработавших газов в зоне за закручивающим устройством сажевого фильтра 102
Газодинамическое сопротивление сажевого фильтра 115
Исследование показателей эффективности работы сажевого фильтра 117
Дымность отработавших газов дизеля 119
Концентрация оксидов углерода 126
Концентрация оксидов азота 128
Результаты параметрической оптимизации конструкции сажевого фильтра 132
Исследование математических моделей статистических оценок эффективности работы машинно-тракторного агрегата МТЗ-80 с сажевым фильтром 134
Результаты измерений уровня шума 141
Выводы 143
5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА САЖЕВОГО
ФИЛЬТРА 144
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 147
ЛИТЕРАТУРА 149
ПРИЛОЖЕНИЯ 158
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПЕРЕМЕННЫЕ И СОКРАЩЕНИЯ
ДВС - двигатель внутреннего сгорания (дизель);
МТА - машинно-тракторный агрегат;
ММ - математическая модель;
ОГ - отработавшие газы;
ТК - токсичные компоненты;
СФ - сажевый фильтр;
УВ - управляющее воздействие;
ЗУ - закручивающее устройство;
Va, a, t, g - скорость, ускорение и время движения МТА, ускорение свободного
падения;
Ne, Me, n - мощность, эффективный момент, частота вращения коленчатого вала
ДВС;
GT, GB, а - часовой расход топлива, воздуха, коэффициент избытка воздуха ДВС;
GX) Gr, Gt, G - расход ОГ в струе по оси х, радиусу г, по касательной к радиусу г,
абсолютный расход в і-й точке с координатами (х, г);
п, dj, lj, bi- радиус, диаметр, длина, толщина стенки і-го элемента СФ;
lj, dj, Tj-длина, диаметр и радиус і-й активной зоны фильтра;
u, v, w — осевая, радиальная и окружная скорости движения потока струи;
vx, vy, vz - проекции вектора скорости твердой частицы на оси х, у, z декартовой
системы координат;
wK, wy, Wz - проекции вектора скорости потока ОГ на оси х, у, z декартовой
системы координат;
АР; - перепад давления на входе и выходе СФ;
Re - число Рейнольдса;
и - кинематическая вязкость газов;
, - коэффициент газодинамического сопротивления потока ОГ в і-м элементе СФ;
Ті, Т2 - температура газов на входе и выходе СФ;
dhi - гидравлический диаметр исследуемой і-й зоны (элемента) СФ;
dx, dr - бесконечно малое расстояние по длине и радиусу струи потока ОГ в СФ;
Ai - площадь сечения впускного трубопровода СФ;
Мк, Мс - приведенные моменты сил трения движения МТА к колесу и коленчатому
валу двигателя;
5 р, рч, pi - плотность ОГ, частиц сажи, і-й токсичной компоненты; а-ь аг -. ал, bi, Ьг, ... bn - константы полиномов регрессионных моделей; ki, кг - константы в математических выражениях; <р, s, с - угол установки лопаток закручивающего аппарата, их шаг и хорда;
Ф - параметр степени закрутки потока струи ОГ; х - расстояние і-й точки от ЗУ вдоль оси потока ОГ; г - радиус і-й точки закрученной струи от оси потока ОГ.
Введение к работе
Достижения науки, реализуемые в эффективные технические решения, обычно быстро воплощаются в жизнь. В этой ситуации создатели новой техники не успевают всесторонне проанализировать вероятные последствия для среды обитания человека внедрения предложенных ими новшеств. Недостаточная экологическая безопасность используемых технологий, несовершенство методов управления производством ведут к оскудению экологического потенциала, как на региональном, так и на глобальном уровнях.
В двигателях внутреннего сгорания ежегодно сжигается около 2 млрд. тонн нефтяного топлива. При этом коэффициент полезного действия в среднем составляет 23 %, остальные 77 % уходят на обогрев окружающей среды [3, 4]. При современном развитии технического оснащения, когда равновесие окружающей среды оказалось зависимым от антропогенного давления, первостепенное значение приобретает экологичность комплексов техники. В полной мере это относится к тракторному парку и выражается как в непосредственном влиянии на продукты питания, так и в глобальном воздействии на окружающую среду. При исследовании экологических характеристик тракторов необходимо учитывать, что их парк должен обеспечивать своевременное выполнение всех работ в лучшие агротехнические сроки при соблюдении требований экологии с минимальными затратами средств и технических ресурсов.
Широкомасштабное использование техники в сельском хозяйстве способствует росту производительности и эффективности труда, однако оно сопряжено и с отрицательными последствиями, исключение и минимизация которых является одной из насущных задач «экологизации» аграрного сектора.
Главным необходимым социальным условием начала активного процесса экологической оптимизации отечественной автотракторной техники должна стать незамедлительная разработка и принятие на федеральном и региональном законодательных уровнях нового закона с ужесточением экологических норм токсичности ОГ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) российского автотранспорта до уровня европейских стандартов [4, 5, 6, 7].
Актуальность работы. Проблема охраны окружающей среды является одной из наиболее актуальных в настоящее время, поскольку от ее решения зависят жизнь на Земле, здоровье и благосостояние человека. Эта проблема остро встала в XX веке, когда интенсивное развитие промышленности и транспорта, а
7 также несовершенство технологических процессов привели к загрязнению атмосферы, воды и почвы. Ежегодно автотракторной техникой в мире выбрасывается в атмосферу 350 млн. т оксида углерода (II), более 50 млн. т различных углеводородов, 150 млн. т оксида серы (IV). В атмосфере накапливается углекислый газ, уменьшается количество кислорода [1, 2, 3, 4].
Это приводит к снижению урожайности, продуктивности животноводства, разрушению строительных материалов, повышенным концентрациям вредных веществ в кабинах тракторов и помещениях цехов, Отсюда очевидна актуальность и необходимость разработки и внедрения эффективных методов и средств для очистки отработавших газов дизелей с повышенным ресурсом работы, не снижающих топливно-экономических показателей двигателя. В настоящее время это является одной из важнейших задач отечественного и зарубежного двигате-лестроения.
Исследования проведены в соответствии с Федеральной программой №04.01.06 на 2001...2005г.г., научным направлением 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в Агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 года» (№ гос. регистрации 840005200)и комплексной темой №5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И, Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».
В данной диссертации теоретически обоснована и разработана конструкция сажевого фильтра, эффективно снижающего количество сажевых частиц в ОГ дизеля, практически не ухудшая его эксплуатационных показателей.
Цель работы. Снижение токсичных выбросов при эксплуатации дизелей путем оборудования выпускной системы высокоэффективным сажевым фильтром, повышающим экологическую безопасность автотракторных двигателей.
Объект исследований. Автотракторный дизель Д-240 и его модификации, оборудованные сажевым фильтром ОГ дизеля.
Методика исследований включает в себя применение современных методов и измерительных приборов. Для замера дымности использовали дымомер «Смог-1», концентрации токсичных компонентов регистрировались высокоточным газоанализатором «TESTO-350» (Германия), уровень шума измерялся шумоме-ром ВШВ-003-М2. Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений, законов газовой динамики и тепломассообмена, современной теории многомерного статистического оценивания и математического моделирования.
8 Моделирование процессов в СФ, его оптимизация, а также обработка экспериментальных данных проводились с помощью современного программного обеспечения и процессора «Intel Pentium IV».
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы снижения токсичных выбросов дизелей, анализу и обобщению теоретических положений и закономерностей, в результате которых:
разработана функциональная схема сажевого фильтра для математического моделирования и совершенствования процессов очистки ОГ дизеля от сажи и токсичных компонентов;
установлены и теоретически исследованы закономерности распределения локальных скоростей потока ОГ в элементах разработанной конструкции СФ;
" обоснована и разработана математическая модель (ММ) газодинамического сопротивления нестабилизированного закрученного потока ОГ, учитывающая влияние конструктивных особенностей элементов СФ;
разработана и исследована ММ динамики движения, улавливания и выгорания твердых частиц сажи внутри элементов СФ за лопаточным закручивающим устройством (ЗУ), на различных скоростных и нагрузочных режимах дизеля;
обоснован комплексный критерий оптимизации рабочего процесса СФ, объединяющий показатели сажеемкости фильтра, газодинамические и тепловые потери в элементах фильтра.
Практическая ценность и пути реализации работы. Разработана и испытана конструкция СФ, устанавливаемого в выпускной системе дизеля Д-240, позволяющая снизить дымность и концентрации токсичных компонентов на 22...65 % и обладающая малым газодинамическим сопротивлением.
Разработанная конструкция СФ защищена патентом РФ № 2183751 от 20.06.02.
Результаты исследований могут быть использованы сельскохозяйственными и другими предприятиями АПК России, эксплуатирующими мобильную технику, научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке сажевых фильтров для любых типов дизелей, а также в учебном процессе вузов аграрного образования при изучении дисциплины «Тракторы и автомобили».
Внедрение. Экспериментальные сажевые фильтры установлены на тракторах МТЗ-80/82 и проходят эксплуатационные испытания в хозяйствах Саратовской области: «Агро-МТС» Лысыгорского района, а также АОКХ «Кольцовское» Калининского района.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели движения потока ОГ в зоне за лопаточным за
кручивающим устройством, дисперсного состава сажевых частиц в ОГ дизелей и
статистических оценок эффективности работы машинно-тракторного агрегата с
сажевым фильтром.
Экспериментально-теоретическое обоснование оптимальных конструктивных параметров СФ.
Комплексный критерий оптимизации рабочего процесса, объединяющий показатели сажеемкости фильтра, газодинамические и тепловые потери в элементах СФ.
Рекомендации по применению предлагаемой разработки, обеспечивающей повышение экологической безопасности автотракторных дизелей.
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава. Оценка качества реализации каждого из программных мероприятий осуществлялась на основе метода экспертных оценок при учете мнения специалистов. Для такой оценки сделаны научные доклады на научно-технических конференциях и семинарах ФГОУ ВПО СГАУ им. Н.И. Вавилова, СГТУ, ВАУ (филиал г. Саратов), МГАУ им. В.П. Горячкина.
Публикации. Основные положения данной диссертации опубликованы в 11 печатных работах (в том числе 1 патент, 5 статей в межвузовских научных сборниках) общим объемом 2,39 п.л., из них 1,17 п.л. принадлежат лично соискателю.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 184 страницах компьютерного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений, содержит 11 таблиц и 71 рисунков. Список литературы включает в себя 116 наименований, из них 8 - на иностранных языках.
