Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей внедорожных машин 13
1.1. Антропогенное воздействие на окружающую среду 13
1.2. Нормирование выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей внедорожных машин 21
1.3. Основные мероприятия по обеспечению требований стандартов выбросы вредных веществ 37
1.4. Расчетно-экспериментальные исследования образования оксидов азота при горении предварительно неперемешанных топлива и окислителя 50
1.6. Расчетно-экспериментальные исследования эмиссии дис
персных частиц с отработавшими газами дизелей 74
ВЫВОДЫ по главе 1. Цель и задачи исследования 83
2 Исследование процесса образования оксида азота в условиях горения, характерного для дизелей, и разработка метода расчета концентрации "закаленного" оксида азота в продуктах горения 89
2.1. Общие положения 89
2.2. Исследование образования оксидов азота при периодичном горении предварительно неперемешанных топлива и окислителя 90 .
2.2.1. Экспериментальная установка 80
2.2.2. Влияние соотношения количеств топлива, сгорающего 97
в гомофазном и диффузионном режимах Влияние величины поверхности диффузионного фронта пламени и сажеобразования 99
Оценка степени подвижности реакций образования и разложения оксида азота в условиях диффузионного горения 104
Разработка феноменологической модели образования оксида азота в условиях горения предварительно неперемешанных топлива и окислителя 109
Разработка математической модели и программы расчета на ЭВМ образования оксида азота в дизеле 117
Проверка адекватности разработанной модели 135
ВЫВОДЫ по главе 2 147
Исследование особенностей образования и разработка метода расчета эмиссии дис персных частиц с отработавшими газами по косвенным показателям 149'
Общие положения 149
Исследования эмиссии дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей 150
Экспериментальные исследования степени распада углево дородов, содержащихся в отработавших газах дизелей 162
Разработка модели образования и метода расчета эмиссии дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей 174
ВЫВОДЫ по главе 3 185
Разработка модифицированных циклов испытаний дизелей внедорожной самоходной техники по оценке экологических показате лей 188
Общие положения 188
2. Разработка модифицированных циклов испытаний по оценке выброса вредных веществ и дымности отработавших газов дизелей 189
3. Анализ последствий введения европейских стандартов в России 197
Выводы по главе 4 204
Примеры практической реализации теоретических разработок по улучшению экологических показателей дизелей внедорожных машин 207
1. Общие положения 207
2 Метод формирования внешней скоростной характеристики 208
3. Метод оценки лимитирующих выброс дисперсных частиц компонентов и режимов работы дизеля 219
4. Метод оценки эффективности использования окислителя 238
Выводы по главе 5 249
Основные результаты и выводы 251
Библиографический список
- Антропогенное воздействие на окружающую среду
- Исследование образования оксидов азота при периодичном горении предварительно неперемешанных топлива и окислителя
- Исследования эмиссии дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей
- Разработка модифицированных циклов испытаний по оценке выброса вредных веществ и дымности отработавших газов дизелей
Введение к работе
Актуальность проблемы. ВДСТ являются многочисленным и разнообразным классом машин. В него входят сельскохозяйственная, лесная, строительно-дорожная и коммунальная техника, грузовые автомобили повышенной проходимости и речные суда. При этом более 90% ДВС, установленных на ВДСТ, - дизели.
Снижение выбросов ВВ в ОС с ОГ дизелей, как и всех прочих тепловых двигателей, обеспечивается двумя принципиально различными способами: организацией малотоксичного рабочего процесса и применением средств дополнительной обработки ОГ (нейтрализаторов и фильтров). Естественно, чем выше концентрация ВВ в ОГ, тем выше нагрузка на нейтрализаторы и фильтры и тем быстрее они теряют свою эффективность. Кроме того, применение систем нейтрализации в дизелях явно нерентабельно в связи с более высоким, по сравнению с бензиновыми ДВС, содержанием в ОГ сажи и соединений серы. К тому же стоимость этих систем, и так значительная, дополнительно увеличивается необходимостью применения систем электронного регулирования функционирования отдельных агрегатов и ДВС в целом. В тоже время, резервы снижения выброса ВВ с ОГ за счет организации рабочего процесса далеко не исчерпаны.
Из числа нормируемых ВВ повышенную сложность представляет необходимость одновременного снижения эмиссии NOx и РМ - наиболее токсичных веществ: технические решения, приводящие к снижению эмиссии первых, приводят к росту вторых. При этом в отличие от NOx, которые более чем на 95% состоят из одного вещества - оксида азота N0, РМ - это совокупность множества различных веществ (причем находящихся в различном агрегатном состоянии - жидком и твердом), но нормируемых как единое вещество. Соответственно, для повышения эффективности мероприятий по сниже нию эмиссии РМ необходимо выявление и оценка весомости вклада основных компонентов частиц.
Причина образования ВВ, присутствующих в ОГ, - горение топлива. Характерной особенностью дизеля является периодичное горение предварительно неперемешанных топлива и окислителя. Указанное обстоятельство обуславливает наличие гомофазного и диффузионного типов горения: первый определяется сгоранием топливовоздушной смеси, образовавшейся за период задержки воспламенения, а второй - сгоранием остального количества топлива в диффузионном фронте пламени; при этом отмеченное соотношение зависит от режима работы дизеля. Изучение процессов образования ВВ при горении топлив ограничивались исследованиями для двух крайних типов горения - гомофазного и диффузионного, поэтому необходимо проведение исследований по выявлению механизма влиянии соотношения количеств топлива, сгорающего по двум указанным типам, на образование ВВ.
Процесс образования ВВ протекает в КС и в потоке ОГ (последнее - в ходе охлаждения газов как за счет естественной теплоотдачи, так и перемешивания с атмосферным воздухом). Данное обстоятельство сказывается, в частности, на распаде CnHm на легкие и тяжелые (конденсируемые при температуре ОС) углеводороды и образовании сернистых соединений, что необходимо учитывать при оценке эмиссии РМ.
Экологический уровень ДВС ВДСТ оценивается на основании результатов испытаний двигателей по т.н. испытательным циклам, представляющим собой совокупность строго регламентированных стандартами режимов работы. Например, согласно ГОСТ Р41.96-99 (аналог европейских Правил ЕЭК ООН №96) испытательные циклы включают в себя 8 режимов (из них 6 частичных), а ГОСТ 17.2.2.05-97 - 13 (11 частичных). Таким образом, сохраняя высокие экологические показатели на режимах полной подачи топлива, которым традиционно уделяли основное внимание, требуется проведение ис следований процессов образования ВВ в условиях работы дизеля на частичных режимах.
В связи с изложенным, а также принимая во внимание регулярное (каждые 3...4 года) ужесточение международных норм на содержание ВВ в ОГ дизелей ВДСТ, вполне актуальным является проведение теоретических и экспериментальных исследований образования ВВ как в условиях горения топлива, характерного для дизелей, так и в потоке ОГ, и разработка на основе этих исследований методов снижения выбросов ВВ с ОГ.
Научная новизна. Разработан метод исследования особенностей образования оксида азота N0 в условиях периодичного горения предварительно неперемешанных топлива и окислителя. Выявлен механизм влияния основных факторов, определяющих содержание N0 в ОГ: соотношения количеств топлива, сгорающего в гомофазном и диффузионном режимах, величины поверхности диффузионного фронта горения, уровня сажесодержания. Определена степень подвижности реакции окисления азота в условиях преимущественно диффузионного режима горения. Разработана методика расчета образования N0 в дизеле, базирующаяся на определении количества оксида азота, переходящего из незакаленного в закаленное состояние, в объеме, приведенном к единице изостехиометрической поверхности, и учитывающая характер изменения температуры по нормали к этой поверхности.
Разработан метод определения эмиссии дисперсных частиц по их основным компонентам, учитывающий содержание в отработавших газах тяжелых углеводородов, твердых сульфатов и сажи в зависимости от режима работы дизеля. Получены зависимости долевого содержания тяжелых углеводородов в суммарных для дизелей с наддувом и без наддува, работающих в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Разработана методика определения лимитирующего выброс РМ компонента и режима работы дизеля.
Разработаны модифицированные циклы испытаний дизелей ВДСТ по оценке экологических показателей на основе анализа их технических характеристик.
Практическую ценность представляют:
• разработанные методики и программы расчета эмиссии ВВ с ОГ дизелей, позволяющие сократить затраты времени и средств на проведении экспериментальных исследований;
• разработанные циклы испытаний по оценке экологического уровня дизелей ВДСТ и малогабаритной техники, используемые в организациях, занимающихся созданием дизелей, их испытаниями и сертификацией.
Апробация работы. Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались на всесоюзных, региональных и международных конференциях и семинарах по проблемам совершенствования рабочего процесса поршневых двигателей и снижения загрязнения окружающей среды выбросами вредных веществ с ОГ двигателей и транспортных средств:
• отраслевые научно-технические конференции (г. Суздаль, 1985; г. Набережные Челны, КамАЗ, 1986; г. Ленинград, ЦНИДИ, 1989);
• региональные конференции "Проблемы загрязнения окружающей среды транспортными средствами" (г. Свердловск, 1990), "Проблемы загрязнения окружающей среды Владимирской области", г. Владимир, 1991) и "Современные средства диагностирования дизельных двигателей автотранспортных средств ", г. Рига, Латвия, 1991);
• конференции Ассоциации автомобильных инженеров (г. Дмитров, ФГУП ГЦ НАМИ-ФГУП НИЦИАМТ, 1989,1995, 1997, 2003, 2005);
• семинары по проблемам совершенствования двигателей (г.Москва, МТУ им. Н.Э. Баумана, 1995; МАДИ (ТУ), 1999);
• VII Международный симпозиум Motor-sympo-90 (г. Высокие Татры, Чехословакия, 1990); международные конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей" (г. Владимир, Владимирский государственный университет, 1993...2005); VIII международная автомобильная конференция " Двигатели для Российских автомобилей" (г. Москва, 2006).
носит название фоновой концентрации загрязняющих веществ, т.е. это количество загрязняющих веществ, содержащихся в единице объема природной среды, подверженной антропогенному воздействию.
Основным источником выбросов ВВ в окружающую природную среду от транспортных средств являются отработавшие газы (ОГ); кроме них источником ВВ являются картерные газы (те же ОГ) и пары топлива, а также продукты износа шин и тормозов, электролит аккумуляторных батарей, тормозная жидкость, масла. Однако, в первую очередь, выброс ВВ в атмосферу - это результат сжигания топлива в цилиндрах двигателя.
Состав отработавших газов ДВС на 99,0...99,9% состоит из продуктов полного сгорания (диоксида углерода и паров воды), неиспользованного кислорода и азота воздуха. Но именно оставшаяся часть отработавших газов (не более 1% от общего расхода ОГ) определяет экологический уровень двигателей, т.е. степень вредного воздействия на окружающую среду: растительный и животный мир, архитектурные строения, атмосферу, почву, воду, в т.ч. и на человека. Состав отработавших газов ДВС зависит не только от типа используемого вида топлива, но и от типа организации и совершенства рабочего процесса двигателя. Поэтому, характеризуя состав ОГ различных типов двигателей, указывают обычно достаточно широкие пределы содержания компонентов (табл.1.1 [16,53,102,175,176]).
Постоянное воздействие ВВ на человека, животных и растения может привести к мутациям на генетическом уровне и к резкому наследственному изменению организмов, меняющие их морфологические (внешнее и внутреннее строение) и/или физиолого-поведенческие признаки. Характер воздействия вредных веществ определяется как их химическим составом, так и величиной концентрации в воздухе. Например [166,167,181,193]:
- оксиды азота NOx: в отработавших газах ДВС присутствуют несколько различных соединений азота с кислородом, но в основном - это оксид азота N0. В отработавших газах дизелей на долю N0 приходится 95.. .98% из всех оксидов, а в двигателях с принудительным воспламенением - 98,0.. .99,5%. Остальное (от 2 до 5%) - диоксид азота N02. При понижении температуры ОГ, попадающих в атмосферу, N0 окисляется до N02. В диапазоне температур 135.. .21 °С N02 находится в смеси с N2O4, а при температуре ниже 21 °С полностью переходит в N204. NO - бесцветный газ, плохо растворим в воде; N02 - бурый газ с удушливым запахом, реагирует с водой с образование азотистой HN02 и азотной кислот НЫОз, которые разрушают легочную ткань, вызывая хронические заболевания, необратимые изменения в сердечно- сосудистой системе. В соединении с углебодородами оксиды азота образуют токсичные нитроолефины, вызывающие заболевания слизистых оболочек верхних дыхательных путей, хронические бронхиты, нервные расстройства;
приводит к удушью. При небольших концентрациях в воздухе приводит к головокружению и тошноте. Поскольку оксид углерода практически имеет ту же плотность, что и воздух (28 против 28,7 г/моль), то самостоятельно улетучивается из помещений очень плохо;
- углеводороды СпНт: самая многочисленная группа соединений. Вызывают неприятный запах, многие хронические заболевания, оказывают общетоксическое и раздражающее воздействие. Некоторые из представителей класса углеводородов, например бенз(«)пирен С20Н12, обладают канцерогенным действием, т.е. способствует развитию онкологических заболеваний;
- альдегиды ЯСНО: обладают резким запахом (особенно - формальдегид). При определенных дозах вызывают раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек носа и глаз. Действие на организм человека характеризуется раздражающим и общетоксическим эффектом на центральную нервную систему, поражением внутренних органов;
- соединения серы 5 и SOy. хорошо растворимы в воде. Обладают резким запахом, вызывают раздражение верхних дыхательных путей, нарушение белкового обмена в организме;
- оксиды свинца РЪО; вещество, которое обладает способностью накапливаться в организме; негативно воздействует на умственные способности, а также внутренние органы, вызывая в них мутагенные изменения;
- сажа С: представляет собой мельчайшие частицы углерода - от долей микрона до десятков микрон; самые мелкие способны по несколько суток витать в воздухе, попадая в легкие человека, вызывают раздражения и заболевания. В отличие от сухой сажи промышленной сажа, содержащаяся в ОГ ДВС, несет на себе частицы несгоревших углеводородов топлива и масла;
- дисперсные частицы РМ\ растворимые и нерастворимые вещества, находящиеся в ОГ, у которых можно произвести измерение размера (т.н. аэродинамического диаметра, значение которого изменяется от нескольких нанометров до нескольких микрометров). Степень влияния на здоровье людей определяется размером РМ. Дисперсные частицы, имеющие аэродинамический диаметр не более 2,5 цм, обозначают РМ2,5. Частицы с размером 2,5... 10 [Ш1 обозначают РМю Наибольший вред наносят РМЮ. Они могут свободно проникать в легкие человека вместе с вдыхаемым воздухом. Из этой категории РМ наибольший вред человеку наносят частицы размером не более 0,1 мкм, хотя по массе они составляют небольшую долю от всех частиц (рис. 1.2 [ 51 ]).
Дисперсные частицы, выбрасываемые с ОГ автомобильного транспорта, обуславливают содержание в воздухе населенных мест до 10...17% от всех РМЮ, источником которых является человеческая деятельность. В случае отсутствия крупной промышленности в городах эта цифра может достигать 75%. Для более мелких частиц эти цифры, в среднем, составляют 20% для РМ2,5 и 40% для РМ1,0 [235 ].
Антропогенное воздействие на окружающую среду
Естественный (природный) состав атмосферы определяется, в первую очередь, наличием в ней кислорода и азота (20,7 и 78,3% по объему, соответственно). Кроме указанных в атмосфере присутствуют и другие вещества (рис. 1.1 [51]), появление которых обусловлено как природными явлениями (разрядами молний, пожарами, пылевыми бурями...), так и антропогенными (выбросами от промышленных и сельскохозяйственных предприятий и транспортных средств) [3,8,16,19,31,41,48,54,69,77,101,1,06,123,181 ]. ПШ РОДНАЯ АТМОСФЕРА
Содержание этих веществ в воздухе гораздо меньше, чем азота и кислорода, но ввиду своей повышенной вредности они и определяют уровень негативного воздействия на окружающую среду. Сочетание вредных химических соединений природного и антропогенного характера возникновения носит название фоновой концентрации загрязняющих веществ, т.е. это количество загрязняющих веществ, содержащихся в единице объема природной среды, подверженной антропогенному воздействию.
Основным источником выбросов ВВ в окружающую природную среду от транспортных средств являются отработавшие газы (ОГ); кроме них источником ВВ являются картерные газы (те же ОГ) и пары топлива, а также продукты износа шин и тормозов, электролит аккумуляторных батарей, тормозная жидкость, масла. Однако, в первую очередь, выброс ВВ в атмосферу - это результат сжигания топлива в цилиндрах двигателя.
Состав отработавших газов ДВС на 99,0...99,9% состоит из продуктов полного сгорания (диоксида углерода и паров воды), неиспользованного кислорода и азота воздуха. Но именно оставшаяся часть отработавших газов (не более 1% от общего расхода ОГ) определяет экологический уровень двигателей, т.е. степень вредного воздействия на окружающую среду: растительный и животный мир, архитектурные строения, атмосферу, почву, воду, в т.ч. и на человека. Состав отработавших газов ДВС зависит не только от типа используемого вида топлива, но и от типа организации и совершенства рабочего процесса двигателя. Поэтому, характеризуя состав ОГ различных типов двигателей, указывают обычно достаточно широкие пределы содержания компонентов (табл.1.1 [16,53,102,175,176]).
Постоянное воздействие ВВ на человека, животных и растения может привести к мутациям на генетическом уровне и к резкому наследственному изменению организмов, меняющие их морфологические (внешнее и внутреннее строение) и/или физиолого-поведенческие признаки. Характер воздействия вредных веществ определяется как их химическим составом, так и величиной концентрации в воздухе. Например [166,167,181,193]:
- оксиды азота NOx: в отработавших газах ДВС присутствуют несколько различных соединений азота с кислородом, но в основном - это оксид азота N0. В отработавших газах дизелей на долю N0 приходится 95.. .98% из всех оксидов, а в двигателях с принудительным воспламенением - 98,0.. .99,5%. Остальное (от 2 до 5%) - диоксид азота N02. При понижении температуры ОГ, попадающих в атмосферу, N0 окисляется до N02. В диапазоне температур 135.. .21 С N02 находится в смеси с N2O4, а при температуре ниже 21 С полностью переходит в N204. NO - бесцветный газ, плохо растворим в воде; N02 - бурый газ с удушливым запахом, реагирует с водой с образование азотистой HN02 и азотной кислот НЫОз, которые разрушают легочную ткань, вызывая хронические заболевания, необратимые изменения в сердечно- сосудистой системе. В соединении с углебодородами оксиды азота образуют токсичные нитроолефины, вызывающие заболевания слизистых оболочек верхних дыхательных путей, хронические бронхиты, нервные расстройства;
- оксид углерода СО: бесцветный газ без запаха и вкуса, плохо растворим в воде, горюч (образует с воздухом взрывчатые смеси). Попадая в легкие человека, а оттуда в кровь вытесняет из последней кислород, поскольку имеет в 200 раз большую растворимость в ней, в результате снижение содержания кислорода в крови приводит к удушью. При небольших концентрациях в воздухе приводит к головокружению и тошноте. Поскольку оксид углерода практически имеет ту же плотность, что и воздух (28 против 28,7 г/моль), то самостоятельно улетучивается из помещений очень плохо;
- углеводороды СпНт: самая многочисленная группа соединений. Вызывают неприятный запах, многие хронические заболевания, оказывают общетоксическое и раздражающее воздействие. Некоторые из представителей класса углеводородов, например бенз(«)пирен С20Н12, обладают канцерогенным действием, т.е. способствует развитию онкологических заболеваний;
- альдегиды ЯСНО: обладают резким запахом (особенно - формальдегид). При определенных дозах вызывают раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек носа и глаз. Действие на организм человека характеризуется раздражающим и общетоксическим эффектом на центральную нервную систему, поражением внутренних органов;
- соединения серы 5 и SOy. хорошо растворимы в воде. Обладают резким запахом, вызывают раздражение верхних дыхательных путей, нарушение белкового обмена в организме;
- оксиды свинца РЪО; вещество, которое обладает способностью накапливаться в организме; негативно воздействует на умственные способности, а также внутренние органы, вызывая в них мутагенные изменения;
- сажа С: представляет собой мельчайшие частицы углерода - от долей микрона до десятков микрон; самые мелкие способны по несколько суток витать в воздухе, попадая в легкие человека, вызывают раздражения и заболевания. В отличие от сухой сажи промышленной сажа, содержащаяся в ОГ ДВС, несет на себе частицы несгоревших углеводородов топлива и масла;
Исследование образования оксидов азота при периодичном горении предварительно неперемешанных топлива и окислителя
Задачи исследования: разработать метод исследования образования оксидов азота в условиях периодичного горения предварительно неперемешанных топлива и окислителя, а также методику и программу расчета содержания NOx в ОГ дизеля; провести экспериментальные исследования особенностей образования оксидов азота в условиях горения, характерного для дизелей, на специально созданной установке;
Методика исследования.
Методикой исследования предусматривалось: получение экспериментальных данных о влиянии на содержание NOx в продуктах сгорания а) соотношения количеств топлива, сгорающего в гомо-фазном и диффузионном режимах и б) величины поверхности диффузионного фронта пламени, экспериментальное определение степени подвижности реакции образования оксидов азота;
В настоящей главе приведены материалы, связанные с разработкой метода исследования образования NOx в условиях периодичного горения предварительно неперемешанных топлива и окислителя, характерного для дизелей, а также разработкой модели образования N0, с учетом выявленных особенностей окисления азота в условиях преимущественно диффузионного режима горения.
Особенность образования N0 (который при температурах ПС свыше 1000 К составляет не менее 95% от всех NOx) в КС дизелей обуславливается характером периодичного горения предварительно неперемешанных топлива и окислителя. В условиях горения в поршневом двигателе невозможно выявить влияние отдельных факторов, поскольку изменение одного из них влечет изменение других. Кроме того, накладывается влияние процесса сжатия-расширения, что влечет за собой изменение давления и температуры в КС и, ввиду термической природы образования N0, процесса окисления азота. Например, уменьшение значения УОВТ приводит к сокращению периода задержки воспламенения, в результате изменяется соотношение количеств топлива, сгорающего по взрывному и диффузионному типу горения; кроме того, уменьшается продолжительность горения в период повышения температуры вследствие сжатия и увеличивается - в период снижения температуры вследствие расширения.
С целью выявления основных факторов, обуславливающих содержание NO в ПС при горении предварительно неперемешанных топлива и окислителя, была разработана и создана модельная установка постоянного объема -диффузионная горелка (А.с. №1257441, В.З. Махов, А.Р.Кульчицкий [123]) (рис.2.1...2.3). Это позволило имитировать основные особенности процесса горения в дизеле: периодичность - периодическим прерыванием подачи газообразного топлива Т с продувкой инертным газом (рис.2.4.); изменение соотношения количеств топлива, сгорающего во взрывной и диффузионной фазах - перемещением пилотных пламен ПП в вертикальном направлении относительно устья горелки; изменение скорости охлаждения продуктов сгорания - гашением пламени на горизонтально расположенной медной сетке МС, имеющей возможность перемещения в вертикальном направлении.
Камера, где происходило смешение и сгорание реагентов, представляла собой параллелепипед высотой 500 мм, шириной 250 мм и толщиной 40 мм; большие грани - из кварцевого полированного стекла, меньшие - из нержавеющей стали. Задача исследования была упрощена, во-первых, применением камеры, у которой ширина была гораздо больше толщины, что позволило, фактически, иметь дело с двумерным потоком реагентов. А во-вторых, использование газообразного топлива позволило исключить влияние процесса испарения.
Исследования эмиссии дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей
Задача исследования.
разработать метод определения и методику расчета эмиссии основных компонентов дисперсных частиц с ОГ в широком диапазоне режимов работы дизеля;
оценить влияние режима работы дизеля на долевое содержание тяжёлых углеводородов в суммарных, находящихся в отработавших газах; Методика исследования. Методикой исследования предусматривалось:
получение экспериментальных данных о содержании дисперсных частиц в отработавших газах дизелей на отдельных режимах, входящих в цикл испытаний согласно Правилам ЕЭК ООН №96;
обеспечение одновременного измерения содержания в отработавших газах дизелей как газообразных компонентов, в первую очередь - входящих в число нормируемых параметров: оксидов азота, оксида углерода и суммар- ных углеводородов, так и уровня дымности отработавших газов дизелей;
измерение необходимого перечня измеряемых параметров при моторных испытаниях дизелей;
отбор проб отработавших газов для проведения последующего хрома-тографического анализа индивидуального состава углеводородов, входящих в суммарные углеводороды;
оценка оптической плотности фильтров дисперсных частиц и сопоставление полученных результатов с результатами измерения прочих параметров.
Моторные испытания выполнены в аккредитованном испытательном центре ФГУП НИЦИАМТ (г. Дмитров, Московской обл.) с применением не-полнопоточного средства измерения - т.н. "микро-туннеля" - марки SPC-472 (фирма AVL, Австрия). Содержание РМ в ОГ измерялось отдельно на каждом режиме посредством отбора части ОГ и пропускания их смеси с. воздухом через фильтр. Для устранения влияния паров воды, содержащихся в ОГ, фильтры до и после измерений выдерживались в течение нескольких часов в термостате при постоянной влажности. Масса осажденных частиц оценивалась взвешиванием фильтров до и после испытаний на электронных микроаналитических весах (фирма Sartorius, Германия) с разрешающей способностью 10 6г. Одновременно с измерением выброса РМ производились измерения содержания в ОГ CnHm, СО и NOx газоанализатором СЕВ-200 (фирма AVL, Австрия), а также - дымности ОГ с помощью оптического дымомера МК-3 (фирма L.Hartridge, Англия).
Внешний вид фильтров, использованных при испытаниях дизелей производства ОАО "Владимирский тракторный завод" Д120 (двухцилиндровый, без наддува) и Д145Т (четырехцилиндровый, с наддувом), приведен на рис.3.1...3.4. При этом, для двигателя Д145Т приведены данные, полученные при испытаниях по двум различным циклам, а также - данные по внешнему виду вторичных фильтров.
Характерным является наличие на фильтрах IV и VIII, использованных на двух наименее нагруженных режимах - №4 и №8 - осадка желтого цвета, свидетельствующего о наличии соединений серы, содержащейся в топливе и выброс которых пропорционален расходу топлива. Поскольку часть сажи задерживается первичным фильтром, то на вторичных фильтрах желтый цвет проявляется и на более нагруженных режимах. Оценка с помощью фильтрационного дымомера модели 415S (фирма AVL) степени поглощения светово го потока FSN (в единицах дымности по шкале Bosch) использованными фильтрами показала, что значение FSN желтых фильтров мало отличается от нуля (рис.9). На прочих режимах дымность ОГ полностью определяется плотностью слоя сажи на фильтрах. Это указывает на возможность раздельного определения эмиссии сажи (по результатам измерения дымности ОГ фильтрационным методом) и соединений серы (по данным концентрации серы в топливе и величине расхода топлива) (рис.3.8 и 3.9).
Разработка модифицированных циклов испытаний по оценке выброса вредных веществ и дымности отработавших газов дизелей
Экологический уровень ДВС ВДСТ оценивается на основании результатов испытаний двигателей по т.н. испытательным циклам, представляющим собой совокупность строго регламентированных стандартами режимов работы (см. табл. 1.2 и 1.5, а также рис. 1.11 гл.1). С 1982 по 1999 г.г. в России (ранее - в СССР) действовали отечественные стандарты по оценке удельного выброса вредных веществ с ОГ и дымности ОГ дизелей, устанавливаемых на тракторы и комбайны (с 1997 г. также - на строительно-дорожную и коммунальную технику). За это период стандарты подверглись нескольким пересмотрам. Однако основные моменты были неизменны. А именно:
в число нормируемых параметров входили три газообразных ВВ - оксиды азота NOx, оксид углерода СО и суммарные углеводородыСпНт, а также показатель непрозрачности столба ОГ определенной длины - дымность N; .
испытательный цикл по оценке удельного выброса ВВ (по ГОСТ 17.2.2.05) состоял из 13 режимов: 5 режимов, соответствующих номинальной частоте вращения коленчатого вала при различных нагрузках, то же самое для частоты вращения коленчатого вала, соответствующей режиму максимального крутящего момента, и три режима - минимальные обороты холостого хода;
испытательный цикл по оценке дымности ОГ (по ГОСТ .17.2.2.02) представлял из себя частичную скоростную характеристику: при измерении двигатель работал в рабочем диапазоне частот вращений коленчатого вала при нагрузке, соответствующей 80% от полной для каждого скоростного режима.
В Европе (с 1977 г.) действовал только стандарт (Директива 77/537/ЕС - прототип ГОСТ 17.2.2.02) по оценке дымности ОГ двигателей, предназна ченных для установки на колесные тракторы; стандарт на выброс ВВ с ОГ отсутствовал. Такая ситуация не позволяла сопоставить экологический уровень отечественных дизелей с зарубежными. Однако тенденция развития стандартизации за рубежом указывала, что подобный документ не только будет принят в Европе, но и в число нормируемых параметров, в отличие от Российских стандартов, будет включен новый - дисперсные частицы.
Несмотря на некоторые отличия стандартов, действовавших в России, между собой, общим в них был уровень требований к экологическим показателям двигателей, который фактически отражал техническое состояние выпускаемой продукции. Невыполнение норм на выброс ВВ с ОГ и дымность ОГ дизелей обычно обуславливалась нарушениями требований конструкторской документации (КД) на регулировку и сборку как отдельных деталей и агрегатов, так и двигателя в целом [] 138,139]. Тем не менее, непосредственно участвуя в проведении (в соответствии с Приказом Министра тракторного и сельскохозяйственного машиностроения от 15.01.1986 г. №10) оценочных испытаний тракторных и комбайновых двигателей, выпускавшихся на заводах СССР, автором было выявлено, что не все двигатели соответствуют нормативным требованиям [140,141].
Анализ причин подобной ситуации показал, что, например, даже замена одного агрегата - топливного насоса высокого давления - на одном и том же двигателей приводит к существенным изменениям характеристик рабочего процесса (табл. 4.1 и 4.2). Так, например, неравномерность подачи топлива на двухсекционном насосе (по данным проверки 10 ТНВД) могла достигать 19,4% (при допустимом 6%), в результате максимальное давление сгорания на двигателе имело разброс в 25,0%, максимальная жесткость - 300,0%, удельный выброс NOx - почти 300,0%), удельный выброс СО - более чем в 300,0%, концентрация сажи - в 270,0%) раза, удельный расход топлива - около 6,0%. Объяснить такое положение можно только большими отклонениями от требований КД по изготовлению, сборке и регулировке ТНВД.
Проведенные испытания подтвердили, что невыполнение требований отечественных стандартов по оценке выбросов ВВ с ОГ и дымности ОГ было связано только с нарушением требований конструкторской документации на изготовление, сборку и регулировку как отдельных деталей и агрегатов, так и двигателя в целом. Но одновременно было выявлено, что действующие стандарты - ГОСТ 17.2.2.02-88 и ГОСТ 17.2.2.05-88, введенные в действие в России с января 1991 г., не обеспечивали оценку действительного экологического уровня выпускаемых и подготавливаемых к производству дизелей.
Связано это было, в первую очередь, с тем, что разработанный в 1982 г. испытательный цикл ограничивал значение максимального крутящего момента дизелей при оценке удельного выброса газообразных ВВ величиной в 110% относительно крутящего момента на режиме номинальной мощности. Т.е. номинальный коэффициент запаса крутящего момента \1Н был фактически ограничен значением 1,1 (см.табл.1.5 гл.1) Однако технический уровень даже выпускаемых дизелей за период с 1982 по 1993 г. вырос, и это коснулось, среди прочего, увеличением запас крутящего момента, в основном, в связи с расширением применения турбонаддува на тракторных дизелях [180].
И если ранее значение \in действительно не превышало уровень 1,1, то теперь, например, на дизелях ЯМЗ-236, Ямз-238 и ЯМЗ-240 (устанавливаемых на тракторы типа К-700 и К-701) достигало уровня 1,3, т.е. запас крутящего момента с 10% возрос до 30% [179]. Однако согласно ГОСТ 17.2.2.05-88 при оценке экологического уровня таких двигателей нагрузка все равно ограничивалась значением ц„ = 1,1.
Кроме того, принятая равномерность загрузки тракторного дизеля, что выражалось в фактически одинаковом коэффициенте весомости режимов - от 0,067 до 0,08 (см.табл.1.5 гл.1)- не отвечала реальности. А в отношении уровня загрузки комбайновых дизелей, которые на ряде видов работ функционируют практически на режимах полных нагрузок, это еще более не соответствовало действительности.
Похожие диссертации на Исследование процессов образования и разработка методов снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей внедорожных машин
