Введение к работе
Актуальность проблемы. Технический прогресс в деятельности человека оказывает в ряде случаев негативное влияние на экологические аспекты его жизнедеятельности и, в частности, на состояние окружающей среды. Постоянный рост парка транспортных средств, использующих двигатели внутреннего сгорания, является причиной ухудшения состояния атмосферы, особенно в крупных городах и промышленных центрах. Это происходит не только за счет выброса вредных для организма человека веществ с отработавшими газами двигателей, но и за счет потребления из атмосферы необходимого для жизнедеятельности кислорода, участвующего в процессе сгорания топлива, накопления в атмосфере двуоксида углерода, который способствует возникновению так называемомого "парникового эффекта". Это побуждает человеческое сообщество принимать активные меры по защите своей среды обитания.
Экологические действия по охране окружающей среды от вредных выбросов автотранспорта включают ряд мер, среди которых нанбрлее важнейшими являются:
разработка нормативно-правовых актов, ограничивающих выброс вредных веществ автотранспортом;
исследования воздействия компонентов отработавших плов, на организм человека и окружающую среду;
прогноз негативных последствий на окружающую среду дальнейшей моторизации человеческой деятельности и выработка защитных мер;
создание транспортных средств с экологически чистыми двигателями;
'- разработка методов и средств нейтрализации вредьых выбросов двигателей транспортных средств.
Все эти меры требуют больших материальных затрат и социальных ограничений.
Поэтому работы в направлении повышения экологической безопасности автотранспорта являются актуальными и имеют большое социальное и экономическое значение.
Цель диссертационной работы.Целями настоящей работы являются разработка научных основ и комплекса технических мероприятий, направленных на создание экологически чистых и высокоэконом1гчных двигателей с искровым зажиганием, обеспечивающих автомобилям выполнение перспективных
нормативных требований, предполагаемых к введению в 2000 - 2005 годах.
В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследовании:
разработка прочюза выброса вредных веществ автотранспортом в Российской Федерации до 2005 года п на его основе перспективных региональных нормативных требований с поэтапным их введением;
критический анализ используемых в настоящее время средств и методов снижения вредных выбросов автомобилями с двигателями с искровым зажиганием;
развитие основ теории рабочего процесса двигателя с точки зпення его токсических показателен;
поиск, разработка н исследование перспективных средств и методов снижения вредных выбросов автомобильными двигателями с искровым захснганием;
разработка основ управления двигателем и антитоксичними системами при работе in переобедненных составах смеси;
разработка и стандартизация методик ускоренных испытаний нейтрализаторов на эффективность и долговечность;
разработка систем питания двигателя спиртосодержащими и водородосодержащіши топлнвами;
- разработка и испытания образцов двигателей и автомобилей, на
которых реализованы принципиально новые опережающие решения
по снижению вредных выбросов автомобильным двигателем;
- поэтапная реализация в промышленности наработанных на
прототипах новых технических решений.
Результатом поставленных в работе задач будет являться разработка прототипов автомобилей с малотоксичными двигателями, оснащенными комплексами антитоксичных систем и устройств, на которых будут реализованы принципиально новые опережающие решения яо снижению выброса вредных веществ. Поэтапная реализация в промышленности наработанных на прототипах технических решений предусматривается в рамках подпрограмм "Антіпокс" и "Водород" Российской программы создания "Экологически чистого автомобиля 2000 года", что должно обеспечить выполнение нормативных требований ЕВРО-2 и ЕВРО-3. Научная новизна. Резервы,'заложенные в рабочем процессе и конструкции двигателя внутреннего сгораннч с искровым зажиганием смеси, позволяют ему выдержать конкуренцию с другими, альтернативными силовыми агрегатами для привода в движение транспортных средств. Возможность сжигания переобеднениых составов горючей смеси, существенного уменьшения потерь на трение и газообмен, использования новых видов топлив,
таких как водород и метанол, дают основание утверждать, что к 2000 году будут созданы двигатели с высокими энергетическими и экономическими показателями и низким выбросом вредных веществ с отработавшими газами.
В работе представлен прогноз путей совершенствования рабочего процесса н конструкции двигателя с искровым зажиганием, разработаны теоретические основы оптимизации рабочего процесса из условия минимизации его токсичности и топливной экономичности.
Большое внимание уделено работе двигателя на режимах глубокого дросселирования и малых нагрузок как наиболее используемых при движении автомобиля в городе и при испытаниях его по "ездовым циклам" стандартов на токсичность. В теорию протекания рабочего процесса двигателя в дополнение к коэффициенту остаточных газов введены новые понятия: коэффициенты инертности остаточных газов и химической активности рабочего заряда цилиндров двигателя, позволяющих оценить реальное соотношение топлива, окислителя и инертных продуктов и, тем самым, правильно прогнозировать процессы воспламенения н сгорания рабочего заряда. Предложен новый метод оценки эффективности рабочего процесса двигателя и применения различных конструктивных мероприятий на режимах малых нагрузок н глубокого дросселирования по критерию сравненння усредненного коэффициента активности рабочего заряда цилиндров с расчетными теоретическими значениями, что позволяет оценить неполноту сгорания топлива, потерю индикаторного КПД двигателя и предварительно оптимизировать его энергетические показатели, токсичность отработавших газов и топливную экономичность.
В работе теоретически и практически доказана перспективность двигателей, работающих на переобедненных горючих смесях. Однако, для эффективного использования интенсифицированных процессов сжигания смесей переобедненного состава без ухудшения потребительских качеств автомобиля потребовалась разработка адаптивной системы управления топливоподачей и зажиганием по пределам эффективного обеднения смесн. Впервые ртработана конструкция такой системы с использованием принципиально новых типов получения устойчивого сигнала обратной связи и алгоритм работы системы.
Научную новизну представляют разработанные методы инициирования процесса катализа путем воздействия на катализатор микроволновыми излучениями. Такие методы воздействия на катализатор обеспечивают начало его эффективной работы практически сразу после пуска холодного двигателя' и исключают
повышенный выброс вредных веществ в начале ездового цикла в период прогрева двигателя.
Научную новизну представляет разработанный метод восстановления оксндон азота в нейтрализаторе при работе двигателя на обедненных составах горючей смеси, то есть при избыточном содержании кислорода в отработавших газах. В результате проведенных исследований разработана методика и система генерирования водорода на борту автомобиля и управляемой в зависимости от режима работы двигателя подачи водорода на вход в нейтрализатор для окисления избыточного кислорода и инициирования процессов восстановления оксидов азота на катализаторе.
Достоверность приведенных в работе научных результатов, выводов и рекомендации подтверждаются большим комплексом исследований, опубликованных в научно-технических изданиях, их широкоіі экспериментальной проверкой, выполненной как самим автором, так и под его руководством и при непосредственном участии.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Выполненная работа является частью и базовой основой руководимых автором программ "Антнтокс" и "Водород" по созданию комплексных антитоксичных систем для легковых автомобилей, которые должны обеспечить выполнение нормативных требований проектов стандартов ЕВРО-1, -2 и -3 и разрабатываемых при непосредственном участии автора нормативов перспективного стандарта Российской Федерации для этого типа автомобилей. Таким образом практическими результатами работы являются:.
-
Прогноз выброса вредных веществ автотранспортом до 2005 г.
-
Документы по поэтапному региональному нормированию выброса вредных веществ автомобилями массой до 2,5 т.
3. Требования к перспективной системе нейтрализации отработавших
газов автомобильных двигателей и комплекс методик ускоренных
испытаний нейтрализаторов на эффективность, термо- и
вибронерегрузкн, надежность и долговечность, которые, с достаточной
достоверностью гарантируют его ресурс в эксплуатации в течении
8О0О0 км, оформленых в виде зарегистрированных Руководящих
Документов (РД), часть из которых прорабатывается в Европейской
Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций в виде
новых Правил по отппованпю сменных нейтрализаторов.
А. Автором лично или при непосредственном участии разработаны,
защищенные авторскими свидетельствами и патентами оригинальные
конструктивны*.» решения, улучшающие энергетические,
экономические и токсические показатели двигателей с искровым
зажиганием, ряд из которых (система питания "КАСКАД", трехкамериый карбюратор К-156, система впуска дополнительного воздуха на режиме принудительного холостого хода форкамерного двигателя автомобиля ГАЗ-3102 и др.) внедрены в массовое производство и использованы в системах пчтания легковых автомобилей Волжского, Горьковского, Ульяновского * и Запорожского автомобильных заводов.
-
Разработана система управления топливоподачей двигателя, работающего на пределах эффективно* о обеднения смеси, " по критерию цикловой, нестабильности рабочего процесса.
-
Разработана принципиально новая система снижения выброса оксидов азота с отработавшими газами двигателей, работающих на обедненных составах горючей смеси за счет подачи в нейтрализатор в качестве восстановителя водорода.
-
Разработана новая система активации процесса катализа на нейтрализаторе с помощью воздействия СВЧ-излучения, обеспечившая быстрый выход нейтрализатора на режим эффективной работы после холодного пуска двигателя.
-
Разработаны варианты систем питания двигателя испаренным метанолом и водородной смесью, получаемой путем каталитического разложения метанола.
9. Разработаны н внедрены при личном участии автора два стандарта
Российской Федерации, восемь Руководящих методических
документов, а также пять Рабочих методик, которые используются в
НАМИ н Волжском автомобильном заводе;
В процессе выполнения работы автором получено 18 авторских свидетельств и 16 патентов ведущих зарубежных стран.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались н обсуждались на научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах как у нас в стране, так и за рубежом, в том числе на научно-исследовательских конференциях МАДИ в 199^ г., МВТУ в 1980 г., научной-технической конференции "Рабочие процессы в ДВС", Москва, 1982 г.; отраслевого семинара "Улучшение экологических характеристик автомобилей и тракторов, проблемы снижения шума, вибраций и токсичности автомобилей", Москва, 1989 г.; по катализу в Тбилиси в 1989 г., конференциях Ассоциации автомобильных инженеров России в 1994 и 1996 г.г., международных симпозиумах "Защита атмосферы от загрязнения токсичными выбросами от передвижных средств с двигателями внутреннего сгорания", Дрезден, 1988 г., "Двигатели XXI века ", Москва, 1994 г, "Альтернативная энергетика для автотранспортных средств", Москва, 1995 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ в научно-технических журналах и сборниках, в том числе 3 в зарубежных, выпущены 3 отдельные брошюры общим объемом 5,5 печатных листов н книга "Карбюраторы автомобильных двигателей", М, Машиностроение, 1990 г., 14,8 печатных листов, а также получено 19 изобретений и Гй патентов ведущих промышленных стран .