Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы снижения эмиссии дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей и современные методы её решения 11
1.1. Дисперсные частицы - наиболее опасный компонент дизельного выхлопа
1.2. Методы моделирование процессов образования и выгорания дисперсных частиц 14
1.3. Современные средства и методы снижения эмиссии дизельных частиц 16
1.4. Обоснование выбора химического реагента 20
1.5. Способы получения водородного реагента в рабочем пространстве дизеля 22
1.6. Способ получения химического реагента в автономной (бортовой) системе на основе конверсии метанола 28
1.7. Обоснование направления исследования 31
1.8. Цель и задачи исследования 33
Глава 2. Метод снижения выделения дисперсных частиц в дизеле с использованием водородосодержащих продуктов конверсии метанола в качестве химического реагента 35
2.1. Формулирование концепции метода 35
2.2. Влияние водородного реагента на кинетику окисления топливно-воздушных смесей 40
2.3. Роль водорода как химического реагента в кинетических механизмах образования и выгорания дисперсных частиц
2.4. Методологический аспект исследования процессов образования и выгорания дисперсных частиц в присутствии водородного реагента
2.5. Методика расчета результирующего выделения дисперсных частиц в дизеле, при его работе с использованием средств химической активации 59
2.6. Определение выбросов дисперсных частиц по замеренной дымности ОГ 67
2.7. Тестовая проверка достоверности предложенной методики расчета
2.8. Выводы по главе 2 74
Глава 3. Оборудование и методики экспериментальных исследований 77
3.1. Методика апробации концепции и технических решений, реализующих предложенный метод, в условиях моторного стенда 77
3.2. Методика апробации концепции предложенного метода по условиям испытательного цикла Правил R96 78
3.3. Оценка погрешностей измерений 80
3.4 Термокаталитический реактор конверсии метанола 81
3.5 Опытная энергетическая установка для апробации предложенной концепции метода 82
3.6 Методика проведения испытаний 85
3.7 Оценивание погрешностей измерений 88
Глава 4. Анализ результатов исследования 92
4.1. Исследование характера влияния водородного реагента на показатели результирующей эмиссии частиц 92
4.2. Исследование влияния водородного реагента на эмиссию несгоревших углеводородов 93
4.3. Апробация концепции предложенного метода по условиям испытательного цикла Правил R96 97
4.4. Заключение по результатам исследования 105
Общие выводы и результаты 108
Список использованной литературы
- Методы моделирование процессов образования и выгорания дисперсных частиц
- Методологический аспект исследования процессов образования и выгорания дисперсных частиц в присутствии водородного реагента
- Методика апробации концепции предложенного метода по условиям испытательного цикла Правил R96
- Исследование влияния водородного реагента на эмиссию несгоревших углеводородов
Введение к работе
Актуальность темы. Существенный вклад в загрязнение атмосферы про-мышленно развитых мегаполисов вносят мобильные средства с дизелями. К наиболее вредным компонентам дизельного выхлопа относятся дисперсные частицы (ДЧ), особенно частицы углеродной фракции, высокая потенциальная опасность которых обусловлена тем, что они являются активными адсорбентами мутагенов и канцерогенов. Известные в мировой практике средства очистки ОГ от ДЧ до сих пор широко не применяются на отечественных дизелях, а их применение зачастую связано с повышением расхода топлива. Поэтому к наиболее перспективным направлениям повсеместно относят поиск новых, эффективных решений по совершенствованию экологических качеств рабочего процесса. Одним из таких альтернативных решений является использование средств химической активации, которые уже относительно давно применяются в дизелях (например, антидымные присадки к топливу). Водород занимает определенное место среди всех этих средств. Его высокая эффективность среди химических реагентов заключается в снижение эмиссии дисперсного углерода подтверждена данными многочисленных экспериментов. Установлено также, что подобная способность водорода проявляется и в уменьшении выброса с ОГ другого компонента ДЧ - органической фракции. Если учесть то, что преобладающая доля в составе фракций ДЧ приходится на органическую и углеродную фракцию (до 94%), то можно предположить о возможности наиболее массового снижения фона ДЧ в системе горения дизельного топлива с участием подобного реагента. Другие, менее значительные по объему фракции в спектре ДЧ - фракции примесей (5%) и сульфатов (1%) привносятся «внешними» факторами и не зависят от свойств этой системы.
Отсутствие инфраструктуры производства водорода и системы его распределения, также низкий уровень безопасности эксплуатации и высокая стоимость является одной из проблем его использования в качестве химического реагента. В данной работе был использован безопасный и экономически оправданный способ, предусматривающий хранение (аккумулирование) такого средства, как водород,
на борту мобильного устройства в виде метанола - в химически связанном состоянии жидкого соединения.
С учетом тенденции к периодическому ужесточению норм по ограничению эмиссии ДЧ с ОГ дизелей, в работе осуществлена разработка альтернативного метода организации рабочего процесса двигателя, усовершенствованного по данному экологическому показателю, что и обуславливает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Цель исследования: разработка метода снижения содержания дисперсных частиц в продуктах сгорания дизеля с использованием водородосодержащих средств химической активации.
Исходя из поставленной цели, определены следующие задачи исследования:
-
Формулирование и методическое обоснование метода снижения эмиссии дисперсных частиц с ОГ дизеля с использованием водородосодержащих продуктов конверсии метанола в качестве средств химической активации.
-
Исследовать характер изменения термодинамических условий в рабочем цикле двигателя, оказывающих определяющее влияние на кинетику процесса образования и выгорания частиц и на этой основе обосновать структурную схема и последовательность проведения исследования.
-
В рамках этой последовательности провести расчетно-аналитическое исследование процессов образования и выгорания углеродной фракции ДЧ для системы горения углеводородного топлива с учетом предварительно установленных реакционных свойств водородосодержащего реагента с использованием разработанного для этой цели математического метода исследования.
-
По результатам исследования методически обосновать стратегию формирования комплекса функциональных и технических средств для практической реализации предложенного метода, адаптированного к условиям работы дизеля транспортного средства категории «Т» по регламенту Правил №96 ЕЭК ООН.
-
Провести серию экспериментальных исследований на дизеле для опытной апробации результатов расчетно-теоретического прогнозирования и эффективности предложенного метода в целом.
6. На основе обобщения результаты проведенных исследований разработать рекомендации по разработке новых и модификации существующих способов организации рабочего процесса дизелей с низким уровнем эмиссии с ОГ дисперсных частиц. Методы исследования. Исследования проводились на основе совокупного сочетания расчетно-теоретических и экспериментальных работ.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена использованием современных, апробированных методов математического моделирования рабочих процессов, основанных на фундаментальных законах термодинамики и сгорания, общеизвестных положениях теории двигателей внутреннего сгорания, а также удовлетворительным согласованием данных расчетно-теоретического анализа и натурного эксперимента. Научную новизну результатов исследования составляют:
методология исследования особенностей образования и выгорания дизельных частиц в системе горения (окисления) углеводородного топлива в присутствие водородосодержащих средств химической активации;
результаты исследования кинетического механизма реакционного воздействия водородосодержащего реагента на термохимические акты, определяющие результирующее содержание частиц в продуктах сгорания дизеля;
метод расчета результирующего образования частиц в дизеле, учитывающий характер реакционных свойств химического реагента;
методически обоснованный метод снижения содержания частиц в продуктах сгорания дизеля на основе применения водородосодержащего химического реагента (продуктов конверсии метанола).
Практическая ценность результатов исследования: использование разработанной методики расчета результирующей эмиссии частиц с ОГ дизелей, работающих с использованием водородосодержащих средств химической активации, позволяет сократить затраты времени и ресурсов на проведение аналогичных экспериментальных исследований;
предложенные рекомендации могут быть использованы для совершенствования процессов сгорания и снижения эмиссии частиц с ОГ дизелей на основе применения водородосодержащего химического реагента;
разработанный комплекс функциональных и технических средств для реализации предложенного метода может быть применен для совершенствования рабочего процесса существующих и перспективных дизелей.
Объект исследования - энергетическая установка, содержащая в своем составе дизель 44 10,5/12, термокаталитический преобразователь спиртового продукта в водородосодержащий газ, который используется в качестве химического реагента, и подсистему ввода дозированных порций реагента в систему питания дизеля.
Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные данные проведенного исследования переданы в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», которые используются при выполнении программы фундаментальных и поисковых исследований научного центра по водородной энергетике. Материалы диссертации и ее результаты используются в учебных процессах кафедр «Эксплуатация автотранспортных средств» РУДН и «Автомобильные и тракторные двигатели» МАМИ при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов.
Апробация работы. По результатам диссертации сделаны доклады: на научно-технической конференции «3-й Луканинские чтения, решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» в МАДИ (ГТУ) в 2009 году; на XLVII научно — технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов инженерного факультета, 2011г.; на Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение в МГТУ «МАМИ» в 2011 году, на 77-ой Международной конференции ААИ «Автомобиле - и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», Москва, МГТУ «МАМИ», на XLVIII научно - технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов инженерного факультета РУДН ,2012 г.; на Международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы», Тамбов, 2012.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных
работах, из которых 6 в издательствах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 119 страницах и содержит: введение, четыре главы основного содержания, проиллюстрированного 14 таблицами и 24 рисунками, общие выводы и список использованной литературы из 93 наименований.
Методы моделирование процессов образования и выгорания дисперсных частиц
Применение экологически чистых топлив. Основной проблемой при выпуске дизельных топлив в России (ГОСТ 305-82) в отличие от зарубежных аналогов топлива является высокое содержание серы, которое значительно повышает выбросы с ОГ ДЧ. Согласно предъявляемым современным требованиям зарубежных и отечественных стандартов к содержанию серы в раз.
дизельных топливах (табл. 1.1), можно наблюдать, что требование действующей европейской нормы (EN-590) для отечественного дизельного топлива превышают в 4-10 С целью повышения качества российского топлива и соответствующего снижения эмиссии частиц предусмотрен выпуск вместо дизельных топлив Л и 3 экологически чистых (ДЭК-Л и ДЭК-3 соответственно) с долей серы не более 0,05%, в которых содержанию серы удовлетворяет действующей норме европейского стандарта.
Совершенствование рабочего процесса. Выброс токсических продуктов неполного сгорания, в том числе и несгоревших ДЧ органически присущ дизелям и обусловлен характером проходящих в них процессов смесеобразования и сгорания. От состава рабочего заряда, скорости реакции и от времени ее протекания в реальных условиях сгорания в цилиндре двигателя зависит полнота превращения реагирующих веществ в конечные продукты.
Совершенствование рабочего процесса в дизелях будет получаться за счет использования высокоэффективных систем наддува с промежуточным охлаждением воздуха. Также будут применяться системы топливоподачи с высокими энергиями впрыскивания топлива и др. Было отмечено, что такое введение наддува, как правило, сопровождается активным повышением плотности теплового потока во время излучения в объёме КС. Этот процесс ускоряет смесеобразование вследствие поглощения частицами топлива энергии лучистого теплового потока и возрастания скорости их испарения с одной стороны, и совершенствованию сгорания углеводородов топлива, с другой.
Процесс оптимизирования скорости движения воздушного заряда в КС происходит в виде упорядоченного вращательного движения воздушного заряда относительно оси распылителя форсунки и должно быть согласовано с числом факелов впрыскиваемого топлива. Если скорость движения воздушного заряда чрезмерно низка или, наоборот – высока, то это ухудшает качество смесеобразования и сгорания топлива. При небольшой скорости снижается степень использования воздуха в процессе сгорания, а при большой – топливо может попадать в зоны горения с высокой температурой и относительно низким содержанием кислорода, так называемое «перекрытие» факелов, на завершающих стадиях впрыскивания. В том и другом случаях будет наблюдаться повышенное содержание продуктов неполного сгорания углеводородов и частиц в ОГ дизеля.
Оптимизация момента топливоподачи. Для повышения полноты сгорания углеводородов топлива (обеспечивающей низкий выход с ОГ продуктов неполного сгорания и частиц) требуется необходимое впрыскивание для увеличения продолжительности периода между завершением впрыскивания и открытием выпускных клапанов и интенсификации сгорания.
Повышение энергии впрыскивания происходит под влиянием повышения давления и сокращение продолжительности впрыскивания топлива, что является положительным моментом процесса, и проявляется в улучшении качества смесеобразования, и за счет этого происходит интенсификация сгорания ДЧ в диффузионной фазе процесса.
Стадия многостадийного впрыска осуществляется сейчас, когда дизельные топливоподающие системы управляются формой характеристики впрыскивания топлива, включающая дозирование впрыскиваемого топлива на несколько частей с регулированием фазового интервала между ними в течение одного цикла. При этом наблюдается снижение температурной неоднородности реагирующей среды, повышается полнота сгорания углеводородной (органической) и углеродной фракций ДЧ.
Применение системы фильтрации ОГ. Для уменьшения выброса ДЧ ДЧ с ОГ дизелей, как правило, ДЧ осаждаются на механическом керамическом фильтре, имеющий автоматическую систему регенерации накопленных частиц. Чаще всего используются керамические фильтры с каталитической системой восстановления различными путями: применением каталитических покрытий на фильтре; использованием катализаторов для синтеза высокоэффективных окислителей ДЧ, таких как диоксид азота; введением каталитических активаторов горения частиц в топливо (присадки).
Применение комплексных систем для очистки ОГ дизелей. Многокомпонентные (комплексные) системы очистки ОГ дизеля включают в себя окислительный нейтрализатор, сажевый фильтр и селективный каталитический нейтрализатор (SCR), работающий c применением восстановительной среды. Установка столь большого числа очистительных устройств в системе выпуска дизеля способствует существенному повышению газодинамических (насосных) потерь. К тому же, эти системы дороги, сложны в обслуживании и поэтому, несмотря на их высокую эффективность, еще не нашли широкого применения в сфере эксплуатации дизельных мобильных средств.
Методологический аспект исследования процессов образования и выгорания дисперсных частиц в присутствии водородного реагента
Опыт промышленной эксплуатации установок для получения водорода методом каталитической конверсии углеводородов показывает, что наилучшие качества и активность имеют катализаторы на основе металлического никеля [11].
Исследования дизеля с каталитической КС были проведены в лаборатории кафедры «Комбинированные ДВС» РУДН. При подготовке дизеля к исследованию на подготовленные к напылению поверхности КС порошково-плазменным способом был нанесён слой грунтового покрытия из порошка нихрома ПХ20Н80 (т.е. сплав исходного порошка содержал 20% хрома и 80% никеля по массе) [7-9].
Во всём диапазоне нагрузочных режимов применение каталитического покрытия КС позволило на номинальном нагрузочном режиме дизеля снизить концентрацию NOx в ОГ до 25%, а содержание ДЧ - более, чем на 20%. Причём отмеченное снижение эмиссии ВВ наблюдалось при соответствующем снижении жёсткости процесса сгорания. Опытным путем подтвержден факт реального существования в каталитической КС конверсионных процессов, протекающих с выходом свободного водорода [7].
Генерирование химического реагента на основе двухстадийного цикла топливоподачи. Химические превращения углеводородов дизельного топлива в дизеле протекают по цепочно-тепловому механизму, в формировании которого ведущая роль принадлежит химически активным частицам. Установлено [1-3], что формирование дополнительного фона активных частиц в рабочем пространстве дизеля можно обеспечить на основе предварительного термохимического преобразования (конверсия) части дизельного топлива на стадии, предшествующей началу её сгорания. Для этого нужно предусмотреть возможность подачи в камеру сгорания определенной начальной (конверсионной) дозы топлива.
Организация процесса конверсии этой дозы топлива с выходом свободного водорода в условиях рабочего цикла дизеля предполагает использование в качестве окислительной среды парогазовые смеси, содержащие остаточный кислород, С02 и Н20, которые являются компонентами ОГ.
Количество остаточных газов в цилиндре современного дизеля обычно невелико, а величина коэффициента остаточных газов уг для них не превышает предела 0,03…0,05. Поэтому для обеспечения эффективного протекания процесса термохимического преобразования топлива необходимы специальные меры, позволяющие увеличить количество реакционно-окислительной среды (ОГ) в цилиндре, например, на основе известного принципа «внутренней рециркуляции».
С учетом этого был предложен способ генерирования свободного водорода как источника активных частиц. Сущность способа заключается в следующем [1-3].
Наиболее высокий уровень эффективности процесса термохимического преобразования предварительной дозы топлива (по выходу активных компонентов, в частности, водороду) обнаруживается при температуре газовой среды в рабочем пространстве цилиндра, превышающий 500оС, и коэффициенте избытка окислителя по остаточному кислороду менее 1. Для достижения подобных условий в цилиндре целесообразно прекращать процесс выпуска газов до прихода поршня в ВМТ, например, за 10 …150 п.к.в., обуславливая, таким образом, не только необходимый уровень температуры реакционной среды, но и необходимое увеличение её массового содержания вследствие эффекта внутренней рециркуляции продуктов сгорания [3].
Величина предварительной (конвертируемой) дозы топлива должна варьироваться в соответствии с количеством остаточного кислорода, содержащегося в остаточных газах для обеспечения оптимальных концентрационных условий эффективной конверсии углеводородов топлива, а её начало определяется моментом прекращения выпуска ОГ с целью исключения потери части топлива в процессе газообмена. Экспериментальные исследования дизеля с двухстадийным циклом топливоподачи [1-3], подтвердили возможность при снижении удельного эффективного расхода топлива на 5 г/(кВт ч), добиваться снижения содержания частиц на 45%, оксидов азота на 15%, монооксида углерода на 12% (по шкале Бош).
Более эффективная реализация этого процесса на дизеле представляется возможной при использовании современных топливных систем с управляемым законом топливоподачи, а также механизмов привода клапанов с регулируемыми фазами газообмена, которые функционируют в соответствии с совместно согласованным алгоритмом управляющих программ [1].
Существует и ряд других способов получения водородного реагента Большой объем исследований проведен на кафедре КДВС в РУДН по изучению различных способов получения водородного химического реагента. Так, была предпринята попытка получения водородного реагента из дизельного топлива на основе перевода одного из цилиндров многоцилиндрового дизеля на работу в режиме термохимического реактора [4].
В другой серии исследований [5] изучалась возможность на основе плазмохимической переработки дизельного топлива получения водородного реагента. С целью химпреобразования углеводородов в качестве источника тепловой энергии практически всегда использовался плазмотрон. Такой генератор – это низкотемпературный плазмохимический реактор, в котором температура плазменного шнура доходит до 3000оС, прямоточного типа с вводом плазмообразующей среды (воздуха) в плазмотрон через тангенциальный канал и подачей жидкого топлива поперечными струями в плазменный поток.
Методика апробации концепции предложенного метода по условиям испытательного цикла Правил R96
Для снижения содержания частиц и несгоревших углеводородов в продуктах сгорания дизеля необходимо использовать эффективный и, желательно, универсальный «инструмент», обладающий целенаправленным воздействием на процессы образования и выгорания этих частиц. На наш взгляд, концепция, реализующая подобную возможность на основе применения химических средств воздействия на эти процессы, имеет перспективное развитие. Она достаточно логична по своей сущности, а с учетом того, что процессы образования частиц обусловлены физико-химическими превращениями углеводородов топлива, а, значит, и средства воздействия на них должны быть подобными этим превращениям по своей природе. Согласно известным положениям теории катализа любая химическая реакция окисления (сгорания) углеводородов может быть инициирована с помощью средств химической активации (реагентом с католическими свойствами) [48]. В этом случае возможно, по нашему мнению, обеспечивать строгую индивидуальную направленность реализуемого воздействия на кинетику окисления углеводородов топлива, обеспечивая при этом повышение полноты сгорания и снижение выхода несгоревших компонентов углеводородов и частиц в твердом или аэрозольном (частично окислившемся) состоянии.
В данном исследовании в качестве средства химической активации использованы продукты конверсии метанола, в составе которых водороду (его компонентное содержание в продуктах достигает 65% по объему) как реагенту принадлежит определяющая роль.
Некоторое представление о характере влияния водородного реагента на кинетику сгорания топливно-воздушных смесей можно получить, анализируя известные результаты испытаний двигателей [41,42,48,49]. Отметим, что эти испытания проводились с использованием водорода как химического реагента для систем сгорания обедненных смесей (с высоким значением коэффициента избытка воздуха ), что характерно для состояния рабочего цикла дизелей. Практически везде, в научных работах подчеркивается слишком высокая эффективность воздействия водорода как химреагента на уменьшение выбросов с ОГ токсических веществ и совершенствование топливно-экономических качеств исследуемых двигателей.
Используя термин «водород как химический реагент», следует четко определиться с тем, какая основная цель преследуется при добавлении водородосодержащего компонента к рабочему телу дизеля. Если добавка Н2 значительная и по энергетическому эквиваленту соизмерима с основным топливом, то водород как энергоноситель выступает в роли самостоятельного (энергетически равноправного) компонента смесевого топлива. Однако, в этом случае приходится учитывать, что повышается уровни температуры и максимального давления сгорания, скорость его изменения в рабочем цикле двигателя. Это, в свою очередь, приводит к повышению тепловых и механических нагрузок на детали двигателя, шума сгорания, к увеличенной эмиссии NOX [50].
Другой характер приобретает процесс сгорания, если незначительная присадка к его рабочему телу как химреагента согласована и оптимизирована по условию максимального снижения эмиссии частиц [51,52]. Таким образом влияние Н2 – источника активных центров, будет проявляться в основном в кинетическом механизме образования и выгорания частиц и активации догорания углеводородных компонентов топлива на заключительной стадии рабочего цикла. В итоге активность сгорания ДЧ возрастает, а их эмиссия уменьшается без заметного увеличения исходных максиуровней температуры и давления в рабочем цикле двигателя.
Как подчеркивается во множестве научных работ [41,49,51-53], оптимальная присадка водорода как химреагента к топливно-воздушной смеси по условию максимального снижения эмиссии продуктов неполного сгорания должно соответствовать (по энергетическому эквиваленту) 1,8% от основного топлива или по массе GН2 0,7% GТ. Эти данные были получены при испытаниях двигателей, работающих на обедненных, характерных для дизельного процесса, смесях; поэтому в первом приближении они могут быть использованы, в качестве исходных (с последующим уточнением экспериментом).
С учетом этих данных и известных характеристик исследуемого дизеля 4Ч 10,5/12 (Д-144), установлен предварительный алгоритм управления расходом водорода в составе продуктов конверсии в системе питания ДВС по условию максимального снижения эмиссии ДЧ, который в графическом виде приведен на рис. 2.1. Алгоритмом оптимального управления производительностью реактора по водороду GН2. определен с учетом требований ГОСТ Р41.96-2005 (аналог европейских Правил ЕЭК ООН R96) испытательного цикла для тракторных дизелей для 4 первых (основных) режимов исследуемого дизеля (глава 4, табл.4.1). Достоверно, что этот цикл испытаний включает в себя 8 режимов (глава 4, табл.4.2): 4 – при nном (100, 75, 50 и 10% от номинальной нагрузки), 3- на промежуточном скоростном режиме nпр (100, 75 и 50% от номинальной нагрузки) и 1 - на режиме холостого хода nxxmin.
По условию обеспечения необходимых расходных характеристик по выходу водорода для предварительно определенных параметров температурно-энергетического состояния греющего теплоносителя (ОГ) в выпускном тракте дизеля были определены [44] функциональные параметры реактора конверсии метанола как генератора водородосодержащего химического реагента.
Исследование влияния водородного реагента на эмиссию несгоревших углеводородов
По результатам исследований можно заключить, что наряду с другими направлениями по совершенствованию экологических качеств дизелей, предложенный в данной диссертации метод снижения содержания частиц и СН в продуктах сгорания дизеля с использованием средств химической активации может быть отнесен к одному из альтернативных вариантов решения проблемы экологической безопасности на транспорте. Результатами натурных испытаний тракторного дизеля 4Ч 10,5/12, проведенных по стандартному регламенту 8-режимноого испытательного цикла Правил ЕЭК ООН R 96, установлено, что выбросы ДЧ с ОГ дизеля при его работе в штатном варианте (на дизельном топливе), соответствовали 0,73 г/(кВтч). При работе дизеля с присадкой водородосодержащего реагента к рабочему телу удельные выбросы частиц снижались на 49% и оказались равными 0,37 г/(кВтч), что соответствует нормативным требованиям Правил ЕЭК ООН R 96. При этом выброс с ОГ несгоревших углеводородов – компонентов органической фракции ДЧ (их концентрация в данном случае составляла 18% от общего количества частиц) - за испытательный цикл снижался на 45% по отношению к исходному варианту. Одновременно с этим достигается снижение выбросов с ОГ оксидов азота и расхода топлива.
Необходимо отметить, что улучшение экологических качеств дизеля по ключевым токсическим компонентам ОГ достигаются с использованием незначительной химической энергии водородосодержащего реагента по отношению к энергии всего израсходованного топлива (менее 0,7%). Рассмотрев другие известные химические реагенты, только водород с учетом его способности генерировать активные частицы – центры зарождения реакций - столь высокой эффективен в актах термохимического преобразования углеводородов топлива при его сгорании, в том числе и в пристеночных областях КС – зонах образования органической фазы ДЧ.
При этом для бортового генерирования реагента необходим достаточно компактный, конструктивно простой и дешевый в производстве реактор. С экономической точки зрения, стоимость водорода, производимого в бортовой системе, в два раза ниже стоимости газа, который произведен промышленным способом, и практически окупается за счет экономии базового топлива вследствие увеличения эффективности теплоиспользования и отказа от дорогих систем очистки ОГ.
Отметим, что в настоящее время детально отработаны технологии получение водородосодержащего реагента в бортовых конверсионных системах из его жидких носителей (например, этанола, метанола, моторного топлива и др.). Предлагаемый способ бортового хранения (аккумулирования) водорода в химически связанном состоянии в жидкой среде (например, в метаноле) будет обеспечивать более высокую эксплуатационную безопасность мобильного средства относительно, к примеру, способа баллонного хранения водорода.
С учетом современного технико-экономического состояния уровня отечественной технологической оснащенности заводов-изготовителей предлагаемый метод дает ряд дополнительных преимуществ. При практической реализации данного метода отпадает необходимость модернизации базовой конструкции серийного дизеля, значительного переоснащения всей технологической структуры, связанной с производством сложных и дорогих компонентов систем очистки ОГ. Благодаря простоте технической реализации метода его практическое внедрение не связано с серьезными экономическими затратами.
Важным стимулом дальнейшего развития «водородной» концепции метода повышения экологической безопасности мобильных средств является тот факт, что схожие подходы методологически получают свое развитие в России и за рубежом. Несмотря на некоторые технологические различия в подходе, достигнутая совокупная экологическая эффективность (в диапазоне эксплуатационных режимов) от реализации модификаций «водородной» стратегии высока. Что еще раз подтверждает предположения о целесообразности и перспективности предлагаемого метода, основанного на применении водородного реагента, не зависимо от технологических приемов его получения.
На осуществление мер по использованию водородного реагента может быть направлена разработка новых типов рабочего процесса дизелей, а также модификация существующих.
Реализация успешного поиска экономически оправданных и эффективных решений обсуждаемой проблемы, в том числе как альтернативы - на основе предлагаемого метода, позволит при минимальных финансовых затратах более оперативно решить актуальную проблему отечественного двигателестроения – создание транспортного дизеля с улучшенными экологическими качествами.
Все сказанное выше стимулирует дальнейшее развитие исследований в данном направлении.
Представленные в диссертационной работе результаты исследований, позволили разработать и предложить метод снижения эмиссии ДЧ с ОГ дизеля на основе химической активации его рабочего тела с помощью водородосодержащего реагента. Основным итогом выполненной работы является решение ряда актуальных вопросов, связанных с важной и перспективной задачей отечественного дизелестроения – разработка научных и технических основ по созданию транспортных дизелей с улучшенными экологическими качествами.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научные и прикладные результаты:
С учетом тематической направленности диссертационного исследования сформулирована концепция метода снижения эмиссии частиц с ОГ дизеля на основе химической активации его рабочего тела с помощью водородосодержащего реагента (продуктов конверсии метанола). Для реализации метода предложен функциональный комплекс технических средств, включающий серийный дизель и бортовой термокаталитический реактор конверсии метанола для получения реагента, работающий с использованием теплоты ОГ, а также установлен алгоритм управления оптимальным расходом реагента в системе питания дизеля по условию предельного снижения эмиссии частиц.
