Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Пути повышения эффективности конвекрсии СО, СН в нейтрализаторе на режимах холодного пуска и прогрева 11
1.1. Нормативные требования на выброс вредных веществ автомобильными бензиновыми двигателями 11
1.2. Особенности режимов холодного пуска и прогрева двигателя 12
1.3. Каталитическая нейтрализация вредных веществ отработавших газов 16
1.4. Методы снижения выбросов СО, СН при пуске и прогреве двигателя 20
1.5. Математическое моделирование как способ достижения цели диссертационного исследования 23
1.5.1. О моделировании рабочего цикла ДВС искрового зажигания 24
1.5.2. О моделировании процессов теплообмена и конверсии вредных веществ в выпускной системе 28
1.6. Выводы по главе 30
1.7. Цель и задачи диссертационного исследования 31
ГЛАВА 2. Теоретические исследования конверсии СО, СН в нейтрализаторе на режимах холодного пуска и прогрева 33
2.1. Математическая модель рабочего цикла ДВС искрового зажигания 33
2.1.1. Математическая модель процесса газообмена 34
2.1.2. Математическое моделирование процесса сжатия 44
2.1.3. Математическая модель процесса сгорания-расширения 45
2.1.4. Математическая модель процесса теплообмена рабочего тела со стенками камеры сгорания 52
2.2. Математическая модель процессов теплообмена в системе выпуска отработавших газов 57
2.3. Математическая модель конверсии СО, СН в нейтрализаторе 65
2.4. Математическая модель электрического разогрева подогревателя 72
2.5. Программная реализация математических моделей и методика проведения теоретических исследований 74
2.6. Расчетная оценка путей повышения эффективности разогрева нейтрализатора 78
2.7. Теоретическое исследование возможности СВЧ разогрева 84
2.8. Выводы по главе 86
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования 87
3.1. Экспериментальное оборудование и достоверность полученных результатов 87
3.2. Методика проведения испытаний 91
3.2.1. Исследование влияния условий прогрева двигателя на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе 91
3.2.2. Исследование возможности повышения эффективности разогрева нейтрализатора путем использования СВЧ-энергии 94
3.2.3. Разработка системы электрического разогрева нейтрализатора 98
3.2.3.1. Оптимизация массогабаритных показателей подогревателя
3.2.3.2. Оптимизация подачи дополнительного воздуха и электроэнергии 102
ГЛАВА 4 Результаты расчетно-экспериментального исследовагния эффективности конверсии СО, СН в нейтрализаторе на режимах холодного пуска и прогрева 105
4.1. Оценка достоверности разработанных математических моделей 105
4.2. Влияние условий прогрева двигателя на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе 106
4.3. Влияние сверхвысокочастотной энергии на эффективность разогрева нейтрализатора 111
4.4. Исследование системы электрического разогрева нейтрализатора 114
4.4.1. Влияние массогабаритных показателей подогревателя на время разогрева и потребляемую электроэнергию 115
4.4.2. Влияние стратегии подачи дополнительного воздуха и электроэнергии на время разогрева и потребляемую мощность 117
4.4.3. Оценка энергетических показателей двигателя, оборудованного нейтрализатором с электрическим разогревом 120
Результаты работы и выводы 122
Литература 124
- Методы снижения выбросов СО, СН при пуске и прогреве двигателя
- Математическая модель процесса теплообмена рабочего тела со стенками камеры сгорания
- Исследование возможности повышения эффективности разогрева нейтрализатора путем использования СВЧ-энергии
- Влияние стратегии подачи дополнительного воздуха и электроэнергии на время разогрева и потребляемую мощность
Введение к работе
Прогрессирующее загрязнение окружающей среды и рост мирового автопарка заставляет правительства разных стран ужесточать законодательные ограничения на выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Так за последние пятнадцать лет предельно допустимые нормы на выброс вредных веществ в Европе были уменьшены в семь-восемь раз, и эта тенденция сохраняется. Кроме того, помимо введения более строгих норм, меняются и процедуры сертификации на соответствие этим нормам. Так, начиная с правил Евро 3, исключен 40с прогрев двигателя перед выполнением ездового цикла, а в правила Евро 4 введены холодные испытания автомобиля с бензиновым двигателем при температуре -7С.
Внесение этих изменений заставляет автопроизводителей во всем мире уделять особое внимание повышенному выбросу СО и СН во время холодного пуска и прогрева двигателя. Дело в том, что выбросы углеводородов во время первой фазы городского ездового цикла составляют 60-80% от суммарного количества за все испытание и пропорционально возрастают при понижении температуры двигателя. Причем основная доля выбрасывается в первые 40с. Объясняется, это, во-первых, необходимостью обогащения топливовоздуш-ной смеси на непрогретом двигателе, т. е. повышенной неполнотой сгорания, а, во-вторых, температура нейтрализатора в этот период меньше 250-300С, т. е. меньше температуры, необходимой для начала эффективных реакций окисления.
Для уменьшения выбросов СО, СН на режимах холодного пуска и прогрева (РХПП) необходимо в комплексную антитоксичную систему автомобиля ввести систему, повышающую эффективность разогрева нейтрализатора.
Один из путей, позволяющих ускорить разогрев нейтрализатора, - это повышение температуры отработавших газов (ОГ) на входе в нейтрализатор. Однако их температура зависит от множеств факторов (от регулировок и режима работы двигателя, от местоположения нейтрализатора, от конфигурации
выпускной системы и т. д.). Поэтому доводка системы ускоренного разогрева нейтрализатора (СУРН) должна проводиться для каждого конкретного автомобиля, что требует огромного количества экспериментальных исследований. В данной работе для уменьшения затрат времени, финансов и труда при проектировании СУРН использовался расчетно-экспериментальный метод исследования. Т. е. основная масса исследований проводилась на математических моделях, после чего экспериментально проверялась их адекватность и проводилась экспериментальная доводка системы.
Для проведения исследований был разработан комплекс математических моделей, включающий модель рабочего цикла ДВС искрового зажигания, модель процессов теплообмена в системе выпуска ОГ, модель каталитической конверсии СО, СН в нейтрализаторе и модель электрического разогрева подогревателя. При разработке комплекса математических моделей требовалось учесть всю совокупность процессов, происходящих на режимах холодного пуска и прогрева (РХПП).
В результате анализа известных математических моделей рабочего цикла ДВС искрового зажигания было установлено, что в большинстве случаев они предназначены для моделирования лишь полных и средних нагрузок. Реально же в условиях городского движения и в частности при прогреве двигателя, большую часть времени составляют режимы малых нагрузок и холостого хода. Анализ же известных математических моделей, предназначенных для моделирования температуры ОГ перед нейтрализатором, показал, что они имеют повышенное расхождение с экспериментом. Одна из причин этого расхождения - это недостаточно точное описание происходящих процессов. Так, например, не учитывается конденсация водяных паров на внутренней поверхности выпускного тракта, существенно влияющая на интенсивность процесса теплопередачи. Поэтому при разработке математических моделей были учтены отмеченные недостатки.
На базе разработанного комплекса математических моделей был создан комплекс прикладных программ, позволяющий существенно сократить затра-
ты времени при проектировании и доводке систем ускоренного разогрева нейтрализатора (СУРН).
В ходе теоретических исследований изучалось влияние на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе таких факторов как угол опережения зажигания (УОЗ), нагрузка на двигатель, состав смеси, частота вращения коленчатого вала двигателя, фаз газораспределения, длины и термоизоляции выпускного тракта
Проведенные расчетно-экспериментальные исследования показали, что ни изменение условий прогрева двигателя, ни уменьшение потерь тепла в выпускном тракте не обеспечили заданного повышения температуры. На основании чего был сделан вывод о том, что для достижения требуемого закона изменения эффективности конверсии СО, СН необходимо подводить энергию из дополнительного источника.
Поэтому на следующем этапе работы был опробован разогрев керамических шариковых и блочных носителей катализатора с помощью СВЧ излучения. Исследовалось влияние формы волноводов, массы разогреваемого вещества и объема рабочей камеры нейтрализатора на эффективность его разогрева. Проведенные исследования показали, что для быстрого разогрева нейтрализатора необходимо изготавливать блочный носитель катализатора из специальной электротехнической керамики, хорошо разогреваемой СВЧ излучением. Однако изготовление такого блока представляет определенные трудности, хотя и является перспективным.
Задачей следующего этапа исследований являлось, используя электроэнергию, повысить температуру ОГ на входе в нейтрализатор. Теоретические исследования показали, что при установке на входе в нейтрализатор электрической спирали, возможно повысить температуру ОГ за ней до 300С примерно за 15с. Для этого, с учетом подачи дополнительного воздуха, требуется 1,5 кВт электрической мощности в течение 25с. Однако возможно уменьшить потребляемую мощность до 1кВт при оптимизации УОЗ, стратегии подачи дополнительного воздуха и электроэнергии.
Для проверки отмеченных предположений была разработана конструкция нейтрализатора и проведены ее моторные испытания на стенде с электрическим тормозным устройством. В ходе работы была получена информация о влиянии количества ячеек, толщины и ширины ленты подогревателя; о влиянии стратегии подачи дополнительного воздуха и электроэнергии на потребляемую мощность и время разогрева до заданной температуры.
Проведенные исследования показали, что эксперимент полностью подтверждает теорию, т. е. использование системы электрического разогрева нейтрализатора позволяет достичь 50% эффективность конверсии СО в первые 40с прогрева при испытании на моторном стенде с электрическим тормозным устройством (цель, поставленная перед данной работой, выполнена). На основании чего можно предположить, что введение подобной системы в антитоксичную систему автомобиля позволит выполнить нормативные требования правил для транспортных средств категорий Mi и Ni класс 1 (массой до 1305 кг) с двигателями искрового зажигания при испытаниях по городскому ездовому циклу при температуре -7С.
Методы снижения выбросов СО, СН при пуске и прогреве двигателя
Непрерывный рост мирового автомобильного парка приводит к критическому загрязнению окружающей среды [17], поэтому одной из главных проблем при создании двигателей для автомобилей остается обеспечение требований по токсичности ОГ. С этой целью во многих промышленно-развитых странах законодательно действуют стандарты по ограничению вредных выбросов автомобилями.
Российская Федерация присоединилась к Женевскому соглашению и, соблюдая международные обязательства, Госстандарт принял постановление № 184 от 26 мая 1999 года о применении Правил ЕЭК ООН по безопасности автотранспорта [51, 52]. Например, Правилам 83 ЕЭК ООН идентичен ГОСТ Р41.83-99 [29]. Большинство из этих Правил имеют прямое применение, т. е. введены в виде Государственных стандартов серии Р41.
Согласно современным стандартам для оценки соответствия автомобиля заданным нормам предусмотрены испытания автомобиля на режимах работы, соответствующих условиям его городского и магистрального движения. Для этого разработаны специальные "ездовые циклы" (рис. 1.1) для автотранспортных средств полной массой до 3,5 т (Правила № 83 ЕЭК ООН), которые воспроизводятся при их испытаниях на специализированных стендах с беговыми барабанами.
Правила 83 нормируют выброс с отработавшими газами бензинового двигателя оксида углерода СО, суммарных углеводородов СН и оксидов азота NOx (NO+NO2) {табл. 1.1). Причем в качестве единиц нормирования принят выброс токсичных компонентов в граммах на километр за время выполнения условного "ездового цикла" [34].
Для приближения "ездового цикла" к реальным условиям эксплуатации происходит постоянное как количественное (рис. 1.2), так и качественное ужесточение норм: 1) исключены 40с прогрева двигателя перед началом измерений (рис. 1.1); 2) начиная с 2005 года, предусматривается введение нового дополнительного типа испытаний для АТС категории М и N1. Процедура этих испытаний предусматривает оценку выброса вредных веществ с отработавшими газами двигателя предварительно охлажденного автомобиля при -7С по "городскому ездовому циклу".
Автомобильный транспорт эксплуатируется в различных климатических условиях, которые оказывают значительное влияние на его экологические показатели. Исследования, проведенные в США, Канаде и скандинавских странах, показывают, что выбросы оксидов углерода и углеводородов при эксплуатации автомобилей с двигателями искрового зажигания при отрицательных температурах увеличиваются в 6-10 раз. Поэтому изменение процедуры проведения сертификационных испытаний (введение оценки выброса вредных веществ с отработавшими газами двигателя предварительно охлажденного автомобиля при -7С по "городскому ездовому циклу") приводит к тому, что выбросы углеводородов во время первой фазы "ездового цикла" составляют 60-80% от суммарного количества за все испытание и пропорционально возрастают при понижении температуры двигателя (рис. 1.3 а). Причем основная масса выбрасывается в первые 40с (рис. 1.3 б) [70, 71, 79].
Основные причины повышенного выброса - это ранее отмеченная неэффективная работа нейтрализатора и повышенная концентрация СО, СН на выходе из двигателя, обусловленная характером протекающих процессов смесеобразования и сгорания. На этих режимах создаются наихудшие условия для испарения бензина, когда температуры топлива, поверхности впускного тракта и воздуха малы. В результате доля топлива, испарившегося перед поступлением в цилиндр на режимах холодного пуска, может уменьшаться до 5-10% [12]. Из-за несовершенства процессов смесеобразования топливо полностью не сгорает и количество токсических компонентов возрастает [97].
Другая особенность рассматриваемых режимов заключается в том, что прогрев двигателя, как правило, осуществляется на холостом ходу или на малых нагрузках. Эти режимы имеют ряд характерных особенностей [5, 26, 32, 14]. Так, например, к моменту открытия выпускного клапана давление в ци-линдре составляет около 0,7 кгс/см , а среднее давление в выпускной трубе несколько превышает 1 кгс/см . Таким образом, с момента открытия выпускного клапана происходит перетекание газа из выпускной трубы в цилиндр до выравнивания давлений и лишь затем начинается выталкивание газа из цилиндра в выпускную трубу [26].
Математическая модель процесса теплообмена рабочего тела со стенками камеры сгорания
Основная задача моделирования теплообмена в выпускном тракте - это определение температуры ОГ на входе в нейтрализатор. Для получения численного значения этой температуры необходимо смоделировать процесс теплообмена при движении газа в трубе. Однако механизм процесса теплоотдачи даже при течении газа в прямых гладких трубах является очень сложным [21, 43, 110]. Это объясняется следующими обстоятельствами: процесс передачи теплоты сопровождается изменением температуры элементов выпускного тракта, как в пространстве, так и во времени. Поэтому температурное поле является нестационарным, т. е. зависящим от времени; 2) процесс переноса теплоты в выпускном тракте автомобиля осуществляется тремя способами: конвекцией, теплопроводностью и излучением. А эти формы теплообмена глубоко различны по своей природе и характеризуются своими законами. Поэтому изучение закономерностей сложного теплообмена, представляет собой довольно трудную задачу; 3) один из компонентов ОГ -это водяной пар, поэтому на режимах прогрева выпускной системы при соприкосновении пара с холодной стенкой он охлаждается и конденсируется. А пленка конденсата представляет собой значительное термическое сопротивление, и чем она толще, тем меньше теплоотдача от газа. По мере прогрева трубы пленка испаряется и теплоотдача от газа к стенке увеличивается; 4) выпускной коллектор - это криволинейный канал. Любой же изгиб канала сопровождается образованием турбулентности, а, следовательно, улучшением процесса теплопередачи. Кроме того, криволинейная конфигурация элементов выпускного тракта приводит к тому, что скорость газа переменна по длине; 5) вследствие периодического открытия выпускного клапана поток приобретает пульсирующее движение. Т. е. характер теплообмена будет так же определяться и волновыми процессами (плотность газа переменна по длине канала); 6) состояние внутренней поверхности выпускной трубы так же играет большую роль на интенсивность теплоотдачи. Так, при увеличении шероховатости толщина пленки конденсата значительно увеличивается, что вызывает уменьшение коэффициента теплоотдачи по сравнению с гладкой и чистой поверхностью [47]; 7) для повышения температуры ОГ в выпускном тракте возможно применение тепловой изоляции (покрытие горячей поверхности выпускной трубы материалами с низкой теплопроводностью, например, асбестом).
Как известно, решение задач теплопроводности при нестационарном режиме основано на дифференциальном уравнении теплопроводности Фурье. Однако это уравнение записывается в частных производных, а потому его решение может быть найдено только численными методами.
Существует много способов решения дифференциальных уравнений в частных производных, в том числе уравнения нестационарной теплопроводности. Наиболее распространенными являются метод конечных разностей и метод конечных элементов. В данной же работе для этих целей использовался метод конечных контрольных объемов. Сущность этого метода заключается в следующем: выпускной тракт между каналом и нейтрализатором представляется в виде прямого участка цилиндрической трубы постоянного сечения длиной L (рис. 2.5) и разбивается на отдельные участки. Для каждого участка записывается система уравнений сохранения энергии для газа и стенок. Для получения расчетной системы уравнений необходимо сформулировать основные предположения и допущения, используемые в предлагаемой модели: 1) температура как газа, так и стенок изменяется только в осевом направлении (ось х) и по времени; 2) градиента температур для газа и стенок в радиальном направлении нет; 3) рассматривается установившийся режим течения газа на прямом участке цилиндрической трубы постоянного сечения. Поэтому скорость и плотность газа в осевом направлении постоянны; 4) исследуемое тело однородно и изотропно.
Исследование возможности повышения эффективности разогрева нейтрализатора путем использования СВЧ-энергии
При увеличении же угла перекрытия клапанов резко увеличивается содержание ОГ в горючей смеси, следовательно, процесс сгорания затягивается, максимальное давление цикла понижается, а давление в момент открытия выпускного клапана повышается, т. е. температура ОГ в выпускном канале увеличивается.
Анализ влияния угла опережения зажигания на параметры газа в камере сгорания (рис. 2.13, 2.14), на распределение температур ОГ в системе выпуска ОГ (рис. 4.1. б) и на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе (рис. 4.3) показывает, что при позднем зажигании сгорание переносится на линию расширения и выделившаяся теплота превращается в работу в течение меньшей части хода поршня, а тепловые потери с ОГ возрастают, что приводит к снижению максимального давления в цилиндре и к повышению температуры ОГ в выпускном канале, т. е. эффективность разогрева нейтрализатора повышается.
В ходе теоретических исследований изучалось также влияние состава смеси, частоты вращения коленчатого вала на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе. Проведенные исследования, как и ожидалось, показали, что при обогащении смеси от а = 1 до а = 0.5 температура ОГ за выпускным клапаном повышается примерно на 5%, что объясняется увеличением скорости сгорания рабочей смеси. Однако при этом ухудшается полнота сгорания и, соответственно, увеличивается выброс несгоревших углеводородов.
При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя от 1000 до 2000 мин" температура ОГ в выпускном канале так же увеличивается примерно на 5%. Объясняется рост температуры интенсификацией движения заряда и его сгорания в цилиндре. Один из возможных путей повышения температуры ОГ перед нейтрализатором - уменьшение потерь тепла от ОГ в стенки. Расчет показал, что при уменьшении расстояния между выпускным каналом и нейтрализатором от 600 до 300мм или при тепловой изоляции выпускного тракта асбестом эффективность конверсии повышалась на 5-10%.
В целом проведенные исследования показали, что для достижения 50% эффективности конверсии СО, СН в первые 30-40с необходимо чтобы температура ОГ на входе в нейтрализатор была не менее 300С уже на 15с. Однако ни изменение условий прогрева двигателя, ни уменьшение потерь тепла в выпускном тракте не обеспечили заданного повышения температуры. На основании чего был сделан вывод о том, что для достижения требуемого закона изменения эффективности конверсии СО, СН необходимо подводить энергию из дополнительного источника.
Задачей следующего этапа теоретических исследований являлось повысить температуру ОГ на входе в нейтрализатор, используя электроэнергию. Проведенные теоретические исследования показали, что для того, чтобы температура ОГ на входе в нейтрализатор уже в первые 15с составляла 300С (с учетом температуры ОГ), необходимо установить на входе в нейтрализатор электрическую спираль (подогреватель). При этом подогреватель должен разогреваться до 400С в течение 10с. Для этого с учетом температуры ОГ необходимо подавать 1.5 кВт электрической мощности в течение 25с. Однако возможно уменьшить потребляемую мощность до 1 кВт при выполнении следующих рекомендаций.
Температура ОГ на входе в подогреватель напрямую влияет на его температуру. Для ее повышения в наибольшей степени подходит коррекция угла опережения зажигания и утепление выпускного тракта. Однако в последнем случае значительно повышается рабочая температура нейтрализатора, что уменьшает его ресурс. 2. Повышенный расход добавочного воздуха приводит к охлаждению подогревателя. С другой стороны, реакции окисления СО, СН - это экзотермические реакции, для которых нужен воздух. Если количество воздуха будет недостаточным, реакции окисления будут вялыми и меньше выделится тепла. Поэтому для минимизации потребляемой подогревателем электроэнергии необходимо оптимизировать момент и количество подаваемого дополнительного воздуха. Скорость реакций и количество выделившегося тепла зависит от места подачи воздуха. Если подача происходит в выпускной канал, где достаточно высокие температуры, реакции окисления начнутся уже в выпускном канале, что приведет к дополнительному повышению температуры ОГ. Кроме того, часть воздуха может попасть в цилиндр, что приведет к уменьшению концентрации СО и СН уже за выпускным клапаном. Потребляемая подогревателем электроэнергия зависит от массогабаритных показателей подогревателя. Чем меньше величина разогреваемой массы, тем меньше необходимо подводить энергии для разогрева подогревателя до той же температуры. Однако при уменьшении размеров подогревателя, как правило, уменьшается и его поверхность, а, следовательно, эффективность подогрева ОГ и конверсии СО, СН. В целом теоретические исследования электрического разогрева нейтрализатора показывают, что для достижения 50% эффективности конверсии СО, СН в первые 30-40с необходимо подводить как минимум 37кДж электроэнергии. Однако желательно иметь систему ускоренного разогрева нейтрализатора (СУРН), потребляющую еще меньшее количество электроэнергии. Поэтому в ходе теоретических исследований также проводилась расчетная оценка возможности ускоренного разогрева нейтрализатора при помощи СВЧ-излучения.
Влияние стратегии подачи дополнительного воздуха и электроэнергии на время разогрева и потребляемую мощность
На первом этапе экспериментального исследования требовалось решить две основные задачи: 1) исследовать влияние условий прогрева двигателя на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе; 2) проверить адекватность разработанных математических моделей. рис. 3.2 представлена схема экспериментальной установки, а на рис. 3.1 схема используемой методики расчетно- экспериментальной отладки разработанных математических моделей. На этом этапе в выпускную систему был установлен 3-х компонентный нейтрализатор, имеющий один керамический блок (0 100x100мм, 600яч/дюйм ). Оправданность использования одного керамического блока объясняется следующими причинами: во-первых, наличие двух блоков на стандартном нейтрализаторе объясняется необходимостью достижения нормируемого ресурса нейтрализатора, а в данной работе этот вопрос не исследовался; во-вторых, на рассматриваемых режимах холодного пуска и прогрева (РХПП) наиболее удаленный от двигателя блок прогревается значительно медленнее первого, а потому не оказывает существенного влияния на эффективность конверсии СО, СН.
Для проверки адекватности разработанных математических моделей, сразу же после пуска двигателя (рис. 3.2) замерялись следующие параметры: 1) температура отработавших газов в выпускном канале, до и после нейтрализатора; 2) концентрация СО, СН до и после нейтрализатора; 3) температура блока нейтрализатора на расстоянии 25мм от переднего торца. Замер температуры стенок блока осуществлялся с помощью хромель-алюмелевых термопар, плотно прижатых к керамике блока. При измерении температур ОГ в выпускном тракте, согласно работе [54], использовалась следующая конструкция крепления термопар и газоотборников (рис. 3.3).
Согласно результатам теоретического исследования (глава 2) наибольшее повышение температуры ОГ на входе в нейтрализатор достигается при увеличении нагрузки на двигатель и при коррекции угла опережения зажигания, поэтому при проведении эксперимента исследовались именно эти режимы.
Для оценки влияния положения дросселя на распределение температур ОГ в выпускном тракте и на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе двигатель испытывался на двух режимах: 1) частота вращения коленчатого вала 2000 мин-1, нагрузка 0 Н»м; 2) частота вращения коленчатого вала 2000 мин-1, нагрузка 43 Н м.
Для оценки влияния угла опережения зажигания на распределение температур ОГ в выпускной системе и на эффективность конверсии СО, СН начальный угол опережения зажигания уменьшался от 5 п.к.в. до ВМТ (стандартный угол) до 10 п.к.в. после ВМТ. Для каждого угла измерялась температура отработавших газов в выпускном канале, на входе в нейтрализатор и температура основного блока нейтрализатора на расстоянии 25мм от переднего торца, а так же концентрация СО, СН до и после нейтрализатора. Для определения угла опережения зажигания, частоты вращения коленчатого вала использовался мотор-тестер фирмы BILTEMA.
Для оценки влияния конденсации водяных паров на закон распределения температур в выпускном тракте и на эффективность конверсии замерялась температура нейтрализатора (на расстоянии 25мм от переднего фланца), температура ОГ за нейтрализатором и концентрация СО, СН до и после нейтрализатора (частота вращения коленчатого вала 2000 мин-1, нагрузка 0 Нм). Замеры выполнялись сначала при пуске холодного двигателя и непрогретой выпускной системе, а за тем при пуске полностью прогретого двигателя и выпускной системы (температура воды и масла 85С).
Подача дополнительного воздуха в выпускную систему осуществлялась с помощью эжектора.
Так как сейчас повсеместное распространение получили керамические носители катализатора, а быстрый и равномерный разогрев подобных диэлектрических материалов достаточно сложная задача, в данной работе, впервые в отечественной практике, был опробован их разогрев с помощью СВЧ-излучения. Исследовалось влияние формы волноводов, массы разогреваемого вещества, объема рабочей камеры нейтрализатора на эффективность конверсии СО, СН. Испытания проводились на моторной и безмоторной установках.
Одна из важнейших проблем, которую пришлось решать в данной работе это согласование параметров магнетрона с волновой нагрузкой. С этой целью исследовались различные формы входного отверстия в нейтрализатор и выходного отверстия из магнетрона, а так же влияние объема рабочей камеры на эффективность разогрева нейтрализатора.
Эффективность магнетрона характеризуется коэффициентом стоячей волны (КСВ). Оптимальное значение это КСВ= 1, т.е. электромагнитные колебания остаются в нейтрализаторе. Этому значению соответствует максимальный нагрев. При несогласованности размеров (объема) нейтрализатора с параметрами магнетрона часть электромагнитных колебаний может отразиться от стенок и вернуться к магнетрону, вызывая его перегрев и выход из строя.
Для оценки влияния СВЧ-излучения на эффективность конверсии СО, СН в нейтрализаторе были проведены стендовые моторные испытания нейтрализатора с микроволновым разогревом. На рис. 3.4 представлена принципиальная схема и общий вид системы микроволнового разогрева нейтрализатора. Электромагнитные колебания сверхвысокой частоты (2,45 ГГц), возбуждаемые магнетроном М-155 по волноводу подводятся нагрузке (носителю катализатора), СВЧ излучение, поглощаясь на катализаторе, разогревает его за короткий промежуток времени.
