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
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 положения и моделирование рабочих процессов дизеля и средств снижения токсичных веществ
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...
- Токсичность основных компонентов отработавших газов дизелей
- Оборудование и приборы для экспериментальных исследований
- Модель тепловыделения в цилиндре дизеля с различными средствами снижения токсичных веществ
- Формирование критериев эффективности и оптимальности средств снижения токсичных веществ
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 '-'лшовыми машинами. Так при сгорания 1 кг дизельного топлива
выделяется 80...100 г токсичных компонентов (20...30 г оксида углерода (II), 20...40 г оксидов азота, 4..Л0 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.) [б].
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 математическогр 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 Министерством 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.
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.
Критерии эффективности и оптимальности для параметрической оптимизации средств снижения токсичных веществ в отработавших газах дизеля.
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.
Токсичность основных компонентов отработавших газов дизелей
Автотракторные двигатели внутреннего сгорания загрязняют атмосферу вредными веществами, выбрасываемыми с отработавшими газами и топливными испарениями. При этом до 95% токсичных компонентов, выделяемых дизелями, приходится на ОГ, представляющие собой аэрозоли сложного состава и включающие в целом до 1000 компонентов [1, 2,3, 7, 10,12, 16,17, 24].
При идеальном протекании процесса сгорания стехиометрической смеси углеводородного топлива с воздухом в продуктах неполного сгорания должны присутствовать лишь N2, С02, Н20. В реальных условиях ОГ содержат также продукты неполного сгорания (оксиды углерода (II) и (IV), углеводороды, альдегиды, твердые частицы, перекисные соединения, избыточный кислород), продукты термических реакций взаимодействия азота с кислородом (оксиды азота) и неорганические соединения тех или иных веществ, имеющихся в топливе (сернистый ангидрид и т.д.). Присутствующие в ОГ компоненты обладают различными химическими свойствами, по-разному воздейстиуют на организм" человека.
Содержание отдельных компонентов в отработавших газах ДВС зависит от способа их образования, разложения, а также ряда преобразований отдельных соединений в цилиндре и системе выпуска двигателя. Существенное влияние на содержание вредных веществ в ОГ дизеля оказывают конструктивные и рабочие параметры.
В течение ряда лет в ЦНИДИ и на дизелестроительных заводах по единым методикам были проведены испытания свыше 90 дизелей более 25 типоразмеров и модификаций с определением дымности и токсичности ОГ. Это позволило получить надежные и достоверные данные о составе токсичных веществ, выбрасываемых отечественными дизелями.
Усредненный состав основных вредных компонентов в ОГ дизелей на режиме полной нагрузки приведен в табл. 1.3 [22].
В табл. 1.3 разброс данных по выбросам вредных соединений обусловлен различием конструкций двигателей, типов смесеобразования, а также продолжительностью рабочего процесса. Наиболее важным конструктивным признаком, определяющим уровень вредных выбросов, является тип камеры сгорания: суммарный выброс вредных веществ у дизеля с разделенной камерой сгориішя в 1,5...2,5 разаменьше, чем у дизеля такой же мощности с непосредственным впрыскиванием топлива [18]. Рассмотрим подробнее вопрос образования в цилиндрах дизеля основных токсичных соединений.
Сажа
Выделение сажи - специфическая особенность дизелей и ее количество в ОГ зависит от условий смесеобразования и горения, которые, как известно, определяются очень многими факторами: режимами работы дизеля, химическими и физическими свойствами топлива, конструктивными особенностями камер сгорания, параметрами топливной аппаратуры и т.д. [12,13,16, 21, 22, 24].
Сажа, смешанная с ОГ, образует дым. Различают два его цвета -серый и черный. Первый в своем составе имеет пары, капли топлива, масла и воды, то есть в нем много несгоревших углеводородов, но мало сажи. Он наблюдается при пуске и в период прогрева двигателя. Черный же дым состоит из почти свободной от углеводородов сухой сажи. Дым оценивается как «видимый» уже при содержании в нем 133 мг углерода на 1 м3 ОГ и как дым средней черноты - при 600 мг/м3 [25].
Сажа представляет собой частицы углерода неправильной формы с линейными размерами 0,3...100 мкм [12]. Первичные структуры сажи, образующиеся в камерах сгорания дизелей, являются частицами сферической формы диаметром 0,015...0,17 мкм с удельной геометрической поверхностью 75 м /г, которые из-за коагуляции в процессе сгорания образуют вторичные и третичные структуры, выбрасываемые с ОГ из системы выпуска дизеля в атмосферу [24].
Образование сажи - объемный процесс термического разложения углеводородов при недостатке кислорода (пиролиз) [26]. Происходит при значениях коэффициента избытка воздуха a = 0,33...0,7 и описывается уравнением [12, 17, 26]: С,Дт ±пС + 0,5тН2 (1.1)
Количество образующейся сажи находится в прямой зависимости от температуры и давления в зоне пиролиза. С ростом температуры и давления это количество резко увеличивается. На образование сажи оказывает влияние также и свойства топлива. Схема образования сажи показана на рис 1.2 [12, 24].
Оборудование и приборы для 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 .снижения токсичных веществ, -ля также факторов-, Способствующих снижению токсичности и дымности ОГ .двигателя. Работа дизеля с CGTB 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,Шх,СНх,Сидр.).
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.
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.
Модель тепловыделения в цилиндре дизеля с различными средствами снижения токсичных веществ
Параметры характеристик тепловыделения в цилиндре дизеля с одностадийным впрыском топлива определяются процессом сгорания, состоящим в основном из двух составляющих. Первая составляющая определяет протекание быстрого сгорания части топлива, находящейся в объёме воздушного заряда и подготовленной к сгоранию за период задержки воспламенения. Вторая составляющая зависит от особенностей сгорания топлива по мере его подготовки к сгоранию и перемешивания с воздухом.
Для аналитического описания рассмотренного процесса сгорания и выделения теплоты может быть использовано выражение скорости тепловыделения Л/ф вида [161, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173] dx/d(p = ax У1"1 -е-ь +а2 У2"1 -е" , (3.21) где а и aj, Ъ], Ъъ С], с% к\, к2 - константы для заданного скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля.
При двухстадийном впрыске, характерном для разделенной системы топливоподачи, уравнение вида (3.21) не может описать всю совокупность стадий процессов сгорания, В этом случае, сгорание каждой из порций топлива протекает последовательно, поэтому целесообразно выделить уже четыре составляющих процесса сгорания всего топлива (по две, для каждой из порций топлива), поданного в цилиндр дизеля.
Учитывая многостадийный характер впрыска топлива в дизеле с ССТВ, для аналитического описания рассмотренного процесса сгорания и выделения теплоты может быть использовано выражение скорости тепловыделения dx/d(p вида где п - число независимых стадий впрыска топлива в цилиндр дизеля (число впрысков), аь hi, cit ht константы, ср - угол поворота коленчатого вала. Таким образом, при исследовании дизеля с разделенной системой топливоподачи п = 4, при исследовании рабочего процесса дизеля с другими средствами снижения токсичных веществ п = 2.
Для каждого из средств снижения токсичных веществ действие его конструктивных параметров приводит к изменению рабочего процесса непосредственно или косвенно (для средств очистки ОГ, установленных на выпускном коллекторе), поэтому перечисленные константы в выражении для скорости тепловыделения изменяются, т.е. константы в выражении (3.22) зависят от конструктивных и физических параметров соответствующего ССТВ. Исследование особенностей таких зависимостей экспериментальными методами на основе индикаторной диаграммы рабочего процесса и применения соответствующих методов математической множественной регрессии позволяет получить их аналитическое выражение.
При использовании одного j - го ССТВ в составе дизеля зависимости констант выражения (3.22) от рт параметров средств снижения токсичных веществ можно записать следующими функциями в неявном виде аЦ = аЦ (Р1,Р2,РЗ,-Рт Ьи = Ъи (р1,р2,Рз,-Рт), Сц = CtJ (рі,р2,Рз, Рт) (3.23) hj=kj(Pl,P2P3, Pm После подстановки зависимостей (3.23) в уравнение (3.22) получим следующее выражение 1=1
В случае использования всех s рассматриваемых средств снижения токсичных веществ в составе одного дизеля: . (3.25) j=l м у
Выражение (3.25) упрощается, если неявные функции разложить в ряд Тейлора и пренебречь многочленами ряда, имеющими показатели степени выше первой. Тогда общий нелинейный вид зависимостей (3.22) преобразуется в выражение линейного вида aU = ац(РиРъРз,-Ря) = ЩґРі + ВД?2+...+ аиа-рм =au-pjt У = bij(PhP2,P3 -Pn) = hj Pl + bl,2 P2+.»+ hm Pni = Е йц pj, cU=cij (Pi P2,p3,-pJ = СІХРІ + Ci,2p2 + -+ сі,трт=:і:аи-р], kj=hj{pi,p2,pb-Pn) =hi Pi+ кґР2 + -+кт Рт=2ау pjt (3.26) где суммирование производится noj от 1 до т (т.е. s — т). Используя векторно-матричные обозначения для сумм в выражении (3.26), получим Zaij-pj=a -p, bjJ-pj = b -p, Есу pj= с р, Zkj pj = k p, (3.27) где a ,b ,c ,k - транспонированные вектора (строки), p - вектор-столбец числовых значений используемых параметров всех ССТВ.
При изменении числовых значений параметров, например в процессе совершенствования средств снижения токсичных веществ, элементы вектора р становятся переменными. Если у исследуемых ССТВ количество переменных (конструктивных параметров) не совпадает, т.е. меньше чем число элементов векторар, то остальные элементы вектора;? замещаются нулями.
Формирование критериев эффективности и оптимальности средств снижения токсичных веществ
В исследованиях тепловых процессов в двигателях внутреннего сгорания, оснащенных системами рециркуляции, указывается на существенное изменение молекулярной теплоемкости рабочего тела за счет рециркулируемых продуктов сгорания, которое отмечается как положительный фактор совершенствования рабочего процесса двигателя, повышения его эффективных показателей [63, 195]. В известных и широко применяемых методиках теплового расчета рабочего процесса дизеля используются линейные зависимости молекулярных теплоємкостей компонентов рабочего тела от его температуры [170, 196]. Предварительный тепловой расчёт рабочего процесса дизеля 44 11/12,5 по этим методикам показал наличие линейных зависимостей основных показателей процесса от степени рециркуляции ОГ. Очевидно, что линейные формы у этих характеристик обусловлены применяемым допущением о линейности зависимости молекулярной теплоемкости рабочего тела дизеля от температуры. Поэтому использование моделей теплоємкостей на основе регрессионных зависимостей в форме полиномов со степенями выше первой способствует повышению точности теплового расчета.
При описании моделей теплоємкостей приняты математические модели в форме (многочленов) полиномов четвертого порядка.
Ниже приведены относительные значения погрешностей аппроксимации и другие статистические оценки. По этим данным и разработанным регрессионным математическим моделям построены графики зависимостей изменения теплоємкостей от температуры (рис. 3.3). Анализ ошибок аппроксимации и приведенные данные показывают, что разработанные регрессионные зависимости молекулярных теплоємкостей от температуры обеспечивают удовлетворительную точность расчета для поставленных целей
Статистические ошибки аппроксимации молекулярных теплоємкостей Среднее для абсолютных и относительных значений отклонений расчетных значений от экспериментальных данных
Для сравнительного анализа на рис. 3.4 приведены ошибки аппроксимации полученные при использовании моделей для молекулярной теплоемкости азота в форме полиномов, соответственно, второго, третьего и четвертого порядков. Ошибки аппроксимации полиномами четвертого порядков в 2,5...4 раза меньше ошибок аппроксимации полиномами второго порядка, и в 1,5.. .2 раза меньше ошибок у полиномов третьего порядка
На основе всестороннего анализа существующих химических соединений, используемых в качестве антидымных присадок к дизельному топливу, патентного поиска, исходя из условий эффективности, доступности и нетоксичности разрабатываемой присадки, нами выбран и исследован гидроксид железа (III) (Fe (ОН)3) [197, 198]. Антидымная присадка на основе гидроксида железа (III) наряду с достаточной эффективностью, по сравнению с известными присадками, обладает рядом преимуществ:
1. Ввиду отсутствия в химсоставе присадки органических радикалов, в продуктах сгорания железа практически безвредны, широко распространены в природе и их попадание в атмосферу не может нанести экологического ущерба;
2. Гидроксид железа (III) представляет собой доступное, дешевое и легко получаемое веществодизеля не содержится токсичных веществ, вызванных введением присадки, а оксиды железа практически безвредны, широко распространены в природе и их попадание в атмосферу не может нанести экологического ущерба;
2. Гидроксид железа (III) представляет собой доступное, дешевое и легко получаемое вещество, которое содержится, например, в отходах гальванического производства (отработанные растворы травления печатных плат и стали).
На способ получения данной присадки имеется положительное решение о выдаче патента на изобретение №2004107477/04(007788) (см. приложение Для получения присадки нами проведен синтез гидроксида железа из химически чистых хлоридов и сульфатов железа (III) по схеме: FeCI3 + 3NaOH = Fe (ОН)3 + 3NaCl (3.41) Fe2(S04)3 + 6NaOH = 2Fe (ОН)з + 3Na2S04 (3.42)
Химически чистые соли железа растворялись в воде до получения растворов с концентрацией катионов железа 10% , а затем проводилось осаждение. Полученный осадок отфильтровывался, тщательно промывался дистиллированной водой и сушился при температуре 105 С.
Размер первичных частиц для гидроксидов и малорастворимых солей, образующихся при различных пересыщениях, приблизительно одинаков и составляет 4,0±1,0 нм. Этот размер определяет максимальную поверхность продукта, достигаемую в том случае, если при последующих стадиях приготовления не произойдет их укрупнения.
Первичные частицы образуются, как правило, в условиях высоких пересыщений и сохраняют значительный избыток свободной энергии, делающий их способными к дальнейшим превращениям, а именно к кристаллизации и укрупнению (рис. 3.5).
