Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ состояния вопроса и постановка задач по оценке выхода двуокиси азота (щ) ъ отработавших газах двигателей внутреннего сгорания
1.1. Методы анализа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания
1.2. Существующие теории анализа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания 20
1.3. Основные методики экспериментального анализа состава отработавших газов внутреннего сгорания 23
1.4. Выводы и задачи по экспресс-диагностике концентрации двуокиси азота в отработавших газах дизеля методом двухлучевой лазерной спектроскопии
ГЛАВА II. Теоретический анализ состава окислов азота в отработавших газах дизеля 40
2.1. Существующие математические модели образования окислов азота 40
2.2. Анализ методов расчета состава отработавших газов двигателей внутреннего сгорания 42
2.3. Математическая модель оценки выхода Л02ъ отработавших газах дизеля. щ
2.4. Алгоритм расчета выхода в отработавших газах дизеля Д-2ІА на ЭЦВМ 53
Выводы. 57
ГЛАВА III. Общая методика экспериментального определения выхода mq2 в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания 59
3.1. Анализ существующих методик оценки выхода Jvf02B отработавших газах двигателей внутреннего сгорания 59
3.2. Блок-схема экспериментальной установки и контрольно-измерительной аппаратуры и автоматики по экспресс-диагностике концентрации двуокиси азота в отработавших газах дизеля на основе двухлучевой лазерной спектроскопии 71
3.3. Методика экспериментального анализа в отработавших газах дизеля на основе 2х лучевой лазерной спектроскопии 82
Выводы 89
ГЛАВА ІV. Результаты экспериментального определения выхода дизельного двигателя д-2іа с вихрекамерным смесеобразованием 90
4.1. Влияние коэффициента избытка воздуха на выходе Х02 90
4.2. Влияние нагрузки на выход«лГ02 96
4.3 Анализ выхода <ЛЮ2 при переменном скоростном режиме 96 4.4« Снижение выхода двуокиси азота в отработавших газах Д-2ІЙ 102
Выводы 102
ГЛАВА V. О достоверности гипотезы образования и определения выхода j40, на основе 2х лучевой лазерной спектроскопии . 104
5.1. О достоверности математической модели расчета выхода J\f02 в отработавших газах двигателя
5.2. Погрешности результатов экспериментального определения выхода
5.3. Общие выводы по работе
Список использованных источников
- Методы анализа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания
- Основные методики экспериментального анализа состава отработавших газов внутреннего сгорания
- Существующие математические модели образования окислов азота
- Анализ существующих методик оценки выхода Jvf02B отработавших газах двигателей внутреннего сгорания
Введение к работе
К концу XX века перед человеком стала проблема необходимости защиты от самого себя* Воздействие ряда сложно взаимообусловленных факторов привело к нарушению биологического равновесия в на-вем мире, в системе человек - природа. Бурное развитие научно-промшленной цивилизации, демографический взрыв, недостаточное требование по защите окружающей среды, предъявляющиеся к развивающейся промышленности в прошлом, постепенное сокращение свободных, невозделанных и лесных территорий, а также безплановое развитие городских вон способствовало исчезновению некоторых форм растительности и животного мира. Перед лицом угрозы постепенного вымирания, человек, наконец, понял, что для охраны биологического равновеоия в природе необходимо начать общую войну за чистоту воздуха, воды и земли. На международной арене данная проблема признана как одна из важнейших с момента выступления, 26 мая 1969 года, на форуме ООН УТана с известным докладом "Человек и его среда".
В СССР этапроблема решается в общем комплексе научно-технических,экономических,социальны* и других мер, направленных на предупреждение загрязнения атмосферного воздуха, что полностью соответствует положениям Конституции СССР, где сказано: "В интересах настоящего и будущих поколений в СССР принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, растительного и животного мира, сохранения чистоты воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей среды"
Советский Союз принимает активное участие в международном сотрудничестве по решению проблемы защиты природной среды.Между
СССР и США, 23 мая 1972 года, подписано на уровне гнав государств двухстороннее соглашение о сотрудничестве, в соответствии о которым осуществляется разработка мер по предотвращению загрязнений и изучение их влияния на окружающую среду»
Б социалистических странах данному вопросу уделяется больное внимание* 6 1972 году в рамках СЭВ был создан Совет по вопросам защиты и формирования окружающей среды* Инициативы и достижения Полый в области защиты окружающей среды значительны и известны в мире*
Первым тревожным сигналом, известившим о вредности отработавших газов было явление смога, факт ухудшения состояния здоровья населения в итате Калифорния (США).
Было установлено, что в специфических климатических условиях этого района, указанные явления в значительной степени связаны с отработавиини газами автомобиля*
Первые юридические документы, ограничивающие допустимую концентрацию вредных компонентов в отработавших газа,выбрасываемых в атмосферу двигателем, были разработаны в 1959 году в США, на основании калифорнийского опыта*
Начиная с 1969 года во многих европейских странах были введены законы, ограничивающие токсичность отработавших газов.Необходимость соблюдать нормы, установленные законами«заставили изготовителей автомобилей ввести существенные изменения в конструкцию двигателя автомобилей, в результате которых уровень выброса основных токсичных компонентов отработавших газов снизился, примерно, на 70%. Несмотря на зто,отработавшие газы автомобилей и далее продолжают представлять угрозу для жителей больших городов*
В настоящее время в СССР, как и в мире в целом, наблюдается интенсивный рост автомобильного парка, причем, главным образом
7 за счет легковых машин, оборудованных бензиновыми двигателями с искровым зажиганием и дизельным двигателем малых размерностей. В последние годы наметилась тенденция увеличения числа грузовых автомобилей с дизелями, ГАЗ, ЗИЛ* Бопроо о том, какому типу двигателя отдать предпочтение - бензиновому или дизелю,определяется экономическими соображениями»
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года" предусматривается необходимость совершенствования технологических процессов и транспортных средств с целью сокращения выбросов токсичных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отработавших газов (ОГ) от токсичных примесей.
Данному направлению разработке методики по определению состава, количественной и качественной оценке выхода окислов азота и других токсичных составляющих двигателями внутреннего сгорания особое внимание уделено советскими учеными Алиевым Ш.Д.,Звоновым В«А.,Ларнерон М.0.,Маловым Р.В.,Разлейцевым Н.Ф. и др.
Представленная работа "Экспресс-диагностика концентрации двуокиси азота отработавших газов дизелей методом двухлучевой лазерной спектроскопии" выполнена в соответствии с приказом Минвуза УССР № 322 от 6 июня 1980 года, задание 04.09. "Исследование«разработка и внедрение в производство новых систем снижения токсичного отработанного газа двигателей внутреннего сгорания".
Целью диссертационной работы является разработка аналива выхода двуокиси азота (Ж)2) методом двухлучевой лазерной спектроскопии для акспресс диагностики в реальных условиях эксплуатации автомобильного транспорта с двигателями внутреннего сгорания.
Для этого решались следующие основные задачи:
I. Разработать математическую модель теоретического анализа
8 образования двуокиси азота с учетом количественной оценки состава топлива и, учитывающий образование двуокиси азота на основе окис** лов азота в зависимости от температуры процесса сгорания*
2» Разработать общую методику количественной оценки образования двуокиси азота в выхлопных газах дизельных двигателей в зависимости от температурного, скоростного и нагрузочного режимов работы»
3. Разработать математический аппарат обработки подученных экспериментальных данных, используя основной закон Бугера-Ламбер-та-Бэра и показать пути снижения погреиности количественной оценки двуокиси азота, применительно 2х лучевой лазерной спектроскопии в двигателям внутреннего сгорания»
4« Доказать справедливость сформулированной гипотезы оценки образования Ж>2 на основе 2х лучевой лазерной спектроскопии»
Научную новизну диссертационной работы представляют следующие результаты:
I» Разработана математическая модель теоретического анализа образования двуокиси азота с учетом количественной оценки состава топлива и, учитывающей образование двуокиси азота на основе окислов в зависимости от температуры сгорания»
2» Разработан алгоритм и осуществлено решение с помощью ЭВМ разработанной математической модели, на основе чего установлены закономерности образования двуокиои азота»
3» Разработана общая методика количественной оценки выхода двуокиси азота на основе 2х лучевой лазерной опектроскопии»
4» Разработан математический аппарат обработки экспериментальных данных оценки выхода двуокиси азота на основе 2х лучевой лазерной спектроскопии»
Практическая ценность полученных в диссертации результатов
9 состоит в том, что смоделирован процесс образования двуокиси азота в зависимости от состава топлива и температуры процесса сгорания, разработана экспериментальная установка оценки выхода двуокиси азота на основе двухлучевой лазерной спектроскопии и в разработке математического аппарата обработки экспериментальных данных оценки выхода двуокиси азота»
Результаты моделирования и экспериментальные данные,полученные на разработанной установке 2х лучевой лазерной спектроскопии используются для экспресс диагностики технического состояния двигателя и топливной аппаратуры* Разработка результатов стендовых испытаний образования двуокиси азота в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов использования в учебном процессе при разработке методических указаний к лабораторным работам по курсу "Автомобильные двигатели11
Диссертационная работа выполнена под научным руководством доктора технических наук профессора БАРСУКОВА СИ. и при постоянном научном консультировании к.ф-м.н. МИХАЙЛОВСКИМ С.С. и к.т.н. доц.ВОЗНЕНКО О.П.
Методы анализа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания
Анализ малых концентраций веществ, особенно JVOZ использует молекулярную реакцию. Существует молекулярная реакция хемилюми-сценции, кинетика которой следующая: JVO + о, — v//6 +оя (молекулярная реакция); (1,1) JVOa + К — JY02 (абсорбция); (1.2) JV02 + М -+JV02+M (гашение); (1.3) JV03 - JJOz + hv (хемилюминесценция) (Л А)
Окись азота, содержащегося в пробе газа, вступает в реакцию с вводимый озоном, в результате чего образуется двуокись азота. При атом наблюдается излучение с интенсивностью, пропорциональной концентрации окислов азота. Излучение измеряется посредством фотоумножителя, в котором интенсивность излучения преобразуются в измеримое напряжение. Анализаторы данного типа показаны на рис.1.6 /6,11,29,42,43/.
В основе теории хроматографического процесса лежит элементарный адсорбции молекул анализируемого вещества, находящегося в подвижной (газовой) фазе, твердым или жидким соребентон. Одной из наиболее распространенных теорий адсорбции является теория Ленгмю-ра, которая утверждает, что на поверхности адсорбента имеются активные центры, на которых и происходит адсорбция молекулы газа под действием поверхностных сил. Чем активнее адсорбент, тем быстрее его поверхность покрывается мономолекулярним слоем адсорбента и устанавливается динамическое равновесие между его молекулами на поверхности и в газовой фазе /4/.
Хроматографические методы основаны на принципе сопоставительных измерений и только посредством сопоставления анализируемого газа с чистым эталонным газон в одних и тех же условиях можно произвести идентификацию и определить количественное содержание искомого компонента в смеси. В процессе анализа на хроматографе проба исследуемой смеси проходит вместе с газом-носителем через заполнитель колонки и разделяются на отдельные компоненты.Отдельные чистые вещества, проходя через детектор, вызывают соответствующий электрический сигнал, который усиливается и записывается на ленте регистрируемого устройства в виде так называемой хрома-тограммы рис.1.7.
Если компоненты анализируемой смеси неизвестны, то следует произвести идентификацию компонентов разделенной снеси на хроматографе. Наиболее простой метод идентификации заключается в составлении соответствующей искусственной смеси и сопоставлении хро-матограмм анализируемой пробы и искусственно составленной смеси. Для каждого случая идентификация необходимы чистые эталонные газы известного состава. Б результате идентификации определяется качественный состав смеси. На основании результатов качественной оценки пробы рассчитывается количественное содержание компонентов. Для этого приводится измерение пиков (всплесков) на хроматограм-ме рис.1.8 и вычисляется их площадь с. - (hb)L (1,5)
Площадь пиков произвольного і -го компонента смеси газов можно определить посредством планиметрирования. Однако наиболее точные результаты получают при применении цифровых интеграторов.Количественное определение пиков (чаще всего симметричных) основа но на использовании зависимости высоты пика на хроматограмме от количества компонента в пробе, а несимметричных пиков - на зависимости количества компонента в пробе от площади пиков.
Основные методики экспериментального анализа состава отработавших газов внутреннего сгорания
Определение концентрации различных токсичных веществ в отра-ботаввих газах двигателях производится способами, основанными на определенных физических или химических свойствах этих компонентов. Как видно из (рис.1.9), эти физические и химические методы разделяются на несколькоПодробно эти методы описаны в работах /13,20,25,29,32,4-3,45,90/.
В нашей работе мы коротко остановимся на главных методах анализа. Хромотография - один из наиболее универсальных методов анализа веществ сложного состава, находящихся в газовой или жидкой фазе» Этот метод основан на избирательной сорбции какого-либо компонента, входящего в состав вещества Различают два вида сорбции -абсорбцию, под которой понимают избирательное поглощение компонента из газовой фазы жидкостью или твердым абсорбентом, и абсорбцию-сорбцию вещества на поверхности раздела газ - жидкость, газ - твердое тело и жидкость - твердое тело. Сорбирующее вещество в этом случае называют адсорбентом В основе хроматографического процесса лежит элементарный акт сорбции молекул анализируемого вещества, находящегося в подвижной (газовой) фазе, твердым или жидким сорбентом Одной из наиболее распространенных теорий адсорбции является теория Ленгмюра,которая утверждает, что на поверхности адсорбента имеются активные центры, на которых и происходит адсорбция молекулы газа под действием поверхностных сил Чем активнее адсорбент, тем быстрее его поверхность покрывается молекулярным слоем адсорбента и устанавливается динамическое равновесие между его молекулами на поверхности и в газовой фазе В равновесном состоянии адсорбция зависит от температуры Т, давления газа Р, концентрации адсорбента С и его природы, от природы, структуры и площади адсорбента Зависимость между количеством вещества, адсорбированного из газовой фазы и его концентрацией С в этой фазе при постоянной температуре выражается изотермой На рис Л.10 показано последующие фазы разделения газовой смеси в хромотографии. Схема газового хромотографа показана на рис.1,11 /20/.
Анализатор состоит ив двух основных устройств: системы окисления для подготовки пробы (для окисления J40 в ЛОг ) и ультрофиоле-тового фотометра для определения концентрации «
Анализатор всасывает отработавшие газы и обеспечивает конденсацию влаги и удаление частиц в устройстве 1« Затем к пробе добавляется кислород. Смесь сжимается в компрессоре 2 и подается под давлением в термостат 3, где находится реактор (его температура 82С), в котором АО окисляется до oVO, Подготовленная таким образом проба газа поступает в фотометр 4, электрический сигнал от которого передается в регистрирующее устройство 5.
Камера сравнения ультрофиолетового спектрофотометра заполнена воздухом или азотом, которые непоглощают излучение на длине волны 3900-4000 А. Такой анализатор позволяет определять концентрации яо , J/oz и JVOX Содержание МОг может быть определено в пробе, если ее вводить в спектрофотометр помимо устройства для окисления МО в Мог . Зная содержание мох и лог f по их разности можно подсчитать содержание JVO .
Имеются спектрофотометры для определения лох э представляющие собой камеру, которую в начале продувают кислородом, а затем в нее с помощью шприца вводят пробу газа для анализа. Осушенную пробу газа отбирают в шприц, куда добавляется кислород для окисления МО в М02 # время окисления 15 мин. После этого пробу вводят в спектрофотометр. Схема отбора и осушения пробы газа при определении окислов азота для подобного метода анализа описана в технической литературе /14/. Содержание в отработавших газах СО, С0, углеводородов, водяного пара оказывает некоторое влияние на точность определения МО Для определения малых концентраций в отработавших газах фирмой и НоЫ&а. п разработан хемилюминисцент-ный анализатор. методов /11,25,43/.
Существующие математические модели образования окислов азота
Расчет равновесного состава продуктов сгорания нашел широкое применение в ракетных двигателях /13/ , в котельных установок,а также в поршневых двигателях внутреннего сгорания /7,15,24,26,39, 75/ Первоначально такой расчет использовали для определения продуктов диссоциации в процессе сгорания в двигателях с искровым зажиганием.
В настоящее время расчет равновесного состава продуктов сгорания в поршневых двигателях получил широкое распространение в свя зи с изучением образования токсичных веществ в двигателя и влияния различных факторов на этот процесс /56,70,84,91,71,61,95,79,78/« В общем случае в составе отработавших газов двигателей могут содержатся следующие компоненты: о,ог,о3,с, со, сог, Щ c Htn с нт Ж, МОг ,Л/,Лг, JW3, НМ05, НСМ, Н, НА, ОН, НгО. Часто расчет равновесного состава производит для одиннадцати компонентов /13,83/ : СОг, Н О, Нг, Ог , ,JV, н, о,
ОН, JVO и J\/QZ . Содержание других возможных компонентов пре небрегают. Существуют различные подходы к расчету равновесного состава продуктов сгорания /19,72,94 / . Ниже приводится методика расчета равновесного состава на примере, в котором в продуктах сгорания учтено восемнадцать компонентов: 0,0&i03,H,Hz,OH,HsO, с, со, СНЧ ,Л,Лг, J/0, /№ , ,ЛЛ%, HJ40, и нем . Для определения содержания указанных компонентов необходимо составить систему из 18 уравнений. Для этого используем 14 уравнений равновесия и 4 уравнения материального баланса Уравнения равновесия: П г V - А . ., _ Ро3 . у _ Рн . у _ Рнг Рд р 1г Кг п % Ks р 6 К Рг у Рон у РсРо . и . рс Pol U Рс Р"г . Ks = —Е—її к 7 — кі Л 8 Р п Рл и РУУРО . и _РогРло . и _ Р$Рн! . р /г PJVO Р I лог глНі JC - __Ял/0_А О_ - и _ Рс Рыг Рн!г Р HNO P/VO Рис где KJ.J - константы; Р - парциальное давление соответствующего компонента. Три уравнения материального баланса составляют на основе неизменности отношения количества атомов отдельных элементов в ходе реакции. Для составления уравнений используют отношения: где 5 - количество атомов соответствующих элементов.
При сжигании октана по стехиометрическим уравнениям для реакции сгорания октана /57/ : оСр = 0,32; jSp» 0,26595 &р = 0,4444 Если элементарный состав топлива отличается от октана по отношению углерода к водороду, то необходимо ввести поправку в величины dp я. ftp . Воспользуемся для этого стехиометрическим уравнением ГДЄ х = п ; у гт; Z = 2п. + гп = 2х + - уС + ун + 20 = U)M + "-СО, + т Н20 + /Ч (2.14) п ; у = г/л Тогда окончательно:
Бсли коэффициент избытка воздуха при сгорании отличается от I ( оС=1 при стехиометрическом составе), то поправка вносится в величину оСр по формуле с помощью приведенных выше 18 уравнений можно определить равновесный состав продуктов сгорания, зависящий как известно от температуры, давления и концентрации реагирующих веществ,
В соответствии с принятыми обозначениями состав продуктов сгорания является функцией исходных параметров oCp,fip P Р и Т . При выбранных значениях исходных параметров система из 18 нелинейных алгебраических уравнений может быть решена с по мощь» ЭЦВМ различными методами /19,51,61,65,72/ Константы равновесия, входящие в уравнения равновесия можно подсчитать по константам диссоциации, приведенными в технической литературе для индивидуальных веществ ДО/ Покажем это на примере нахождения константы равновесия Hi
Анализ существующих методик оценки выхода Jvf02B отработавших газах двигателей внутреннего сгорания
Определение концентрации окислов азота в отработавших газах двигателей проводятся посредством измерения количества ло и лоа , или посредством измерения суммы j ojvo , обозначаемой JVOX . Установлено, что при анализе отработавших газов полученных в ре зультате сгорания бедных смесей в анализаторе инфракрасного излу чения JVO в пробе газа быстро окисляется в s/o3 /43,77,91 /.Поэ тому, в случае, когда окисление в анализируемой пробе происходит в одной емкости анализатора необходим двойной анализ. Кроме того, учитывая наличие в отработавних газах СОг, ог, со, So и водяного пара измерения следует проводить выборочно.
В настоящее время используют следующие основные методы определения окислов азота в отработавших газах: - химически колометрический метод Зельцмана; - массовую спектрометрию; - поглощения ультрафиолетового излучения - на недисперсионном анализаторе; - хемилюминесцентный метод.
Первый метод связан с большими затратами времени - анализ продолжается 15...30 мин. При анализе газа в ультрафиолетовой области спектра ж преобразуется в ЛОг о участием озона 03 , который вводят в аналитическую камеру. На результат измерения оказывают влияние имеющиеся в отработавших газах углеводороды, поэтому их необходимо исключать из отработавших газов посредством каталитического воздействия понкалитом при t = П00С, кроме того, в ультрафиолетовой области поглощается газы SO , H&S И органические соединения, присутствующие в отработавших газах. Поэтому рекомендуется параллельно использовать другой метод Поскольку вданной работе разработана методика анализа с помощью двухлучевой лазерной спектроскопии кратко рассмотрим существующие спектрометры Б работе /50/ показана экспериментальная установка включающая лазер и монохроматор, расположенный на оптической оси с противоположных сторон испытуемого двигателя. УФ - луч, получаемый за счет светового импульса лазера, раздваивался на основной луч и эталонный Последний системой зеркал направляли на монохроматор в обход цилиндра, в то время как основной луч проходил сквозь кварцевые окна, через камеру сгорания Один из лучей фокусировал на верхней, другой - на нижней щели монохроматора рис.3.1 Спектр поглощения через фотоусилитель регистрировали спектрометром Иалл,е- Л$А /82-000 с щелью шириной 25 мкм. на панхроматической пленке Zfcodcbl 2485, пригодной для широкого диапазона экспозиций Особо строгие требования предъявляли к измерению оптической плотности эмульсии пленки, на каждом кадре которой получали изображение двух лучей: прошедшего через камеру сгорания (с поглощением) и эталонного Рассмотрим теперь один из серийных двухлучевых приборов -спектрометр Перкина - Элмера 301. Схема этого спектрометра приведена на рис.3.2. /30/.
Прибор оснащен оптикой / /3,8 и перекрывает диапазон частот 40-600 см"1 набором решеток с блеском при 444,333,222,89 и 6DCM . Для непосредственного измерения относительного пропускания исполь-зуется двухлучевая фотометрическая система Халфорда-Савицкого. Прибор можно легко приспособить для различных условий эксперимента; он имеет удобную систему смены решеток и фильтров и свободен от неудобств, связанных с мешающим влиянием теплового излучения образца и его держателя. Измерительный луч и луч сравнения раздельно выходят из источника и прерываются с относительным сдвигом фаз 90 После прохождения отсека, где размещается образец, лучи попадают на тороидальные зеркала My и My, которые затем направляют их на систему зеркал, разделяющую лучи по апертуре Эта система соединяет оба луча в вертикальном направлении, но при этом каждый из лучей используют соответственно только верхнюю или - нижнюю половину апертуры. Эеркало М отображает решетку, являющуюся зрачком системы, на зеркала, делящие апертуру системы пополам. Этим обеспечивается однородное освещение решетки каждый из лучей. В монохроматоре используется обычная схема Литтрова с 21-градусным внеосевым параболическим зеркалом. Две решетки по 68,6 мм установлены на столике тыльными сторонами друг к другу. Они легко заменяются другой парой решеток. Для линейного сканирования спектра в системе поворота решетки используется косеканс-кий привод. Каждая решетка может поворачиваться на угод до 38 Механизм раскрытия щелей обеспечивает установку их ширины от 0 до 10 мм. Излучение из выходной щели фокусируется внеосевым эллиптическим зеркалом на оптико-аккустический приемник с алмазным окном диаметром 4,8 мм. Оптическая система дает шестикратное уменьшение изображения,вследствие чего потери интенсивности луча малы. В точках М2,М2 и М10 помещаются отражательные фильтры, а в точке F3 - пропускающий фильтр.
