Содержание к диссертации
Введение
1. Вредные выбросы поршневых двигателей внутреннего сгорания и пути их снижения (состояние проблемы) 14
1.1. Поршневые двигатели внутреннего сгорания как источник экологической опасности 14
1.2. Нормирование вредных выбросов с отработавшими газами поршневых двигателей внутреннего сгорания 24
1.3. Пути снижения количества токсичных компонентов в отработавших газах поршневых ДВС 28
1.4. Влияние режима работы поршневых ДВС на эффективность каталитической нейтрализации их отработавших газов 39
1.5. Выводы. Цель и задачи исследования 42
2. Термодинамическая и математическая модели процессов в выпускной системе ДВС, оборудованной стабилизатором температуры отработавших газов 44
2.1. Обеспечение уровня температуры отработавших газов, соответствующего эффективной работе каталитических нейтрализаторов при эксплуатации дизеля на переменных режимах 44
2.2. Термодинамическая и математическая модели процессов в выпускном тракте дизеля, оборудованном стабилизатором температуры отработавших газов 52
2.3. Выводы 73
3. Программа и методика исследования 75
3.1. Программа экспериментального исследования 75
3.2. Методика экспериментального исследования 77
3.3. Методика расчета экономического эффекта от снижения вредных выбросов с отработавшими газами 90
3.4. Выводы 92
4. Экспериментальные установки 94
4.1. Стенд для изучения процессов в стабилизаторе температуры отработавших газов и оценки адекватности математической модели происходящих в нем процессов 94
4.2. Экспериментальная установка для стендовых исследований содержания вредных веществ в отработавших газах дизеля КамАЗ-740 и экспериментальный автомобиль для натурных ездовых испытаний 97
4.3. Оценка погрешностей измерений и расчетов 104
4.4. Выводы 110
5. Результаты экспериментального исследования 112
5.1. Определение и обеспечение целесообразного уровня температуры отработавших газов на входе в каталитический нейтрализатор 112
5.2. Оценка адекватности математической модели модели процессов в выпускной системе ДВС, оборудованной стабилизатором температуры отработавших газов 118
5.3. Результаты исследования эффективности снижения вредных выбросов дизеля КамАЗ-740 в случае установки перед каталитическим нейтрализатором стабилизатора температуры отработавших газов при работе по внешней и частичным скоростным, а также по нагрузочной характеристикам 120
5.4. Результаты исследования эффективности снижения вредных выбросов дизеля КамАЗ-740 при работе по 13-режимному испытательному циклу в случае установки перед каталитическим нейтрализатором стабилизатора температуры отработавших газов 132
5.5. Результаты исследования стабилизации температуры отработавших газов на входе в каталитический нейтрализатор при работе дизеля КамАЗ-740 на режимах ездового цикла ЕСЕ R15/05 138
5.6. Результаты исследования снижения вредных выбросов при работе дизеля КамАЗ-740 на эксплуатационных режимах в случае установки перед каталитическим нейтрализатором стабилизатора температуры отработавших газов 140
5.7. Расчет экономического эффекта от снижения выброса вредных выбросов в случае установки перед каталитическим нейтрализатором стабилизатора температуры отработавших газов 144
5.8. Выводы 146
Основные результаты и выводы 149
Заключение 152
Список литературы 153
Приложения 171
- Пути снижения количества токсичных компонентов в отработавших газах поршневых ДВС
- Методика экспериментального исследования
- Экспериментальная установка для стендовых исследований содержания вредных веществ в отработавших газах дизеля КамАЗ-740 и экспериментальный автомобиль для натурных ездовых испытаний
- Результаты исследования эффективности снижения вредных выбросов дизеля КамАЗ-740 в случае установки перед каталитическим нейтрализатором стабилизатора температуры отработавших газов при работе по внешней и частичным скоростным, а также по нагрузочной характеристикам
Введение к работе
Актуальность темы исследования обусловливается противоречием между безальтернативной сегодня потребностью человечества продолжать широкое использование поршневых ДВС (ПДВС) для своих нужд, с одной стороны, и необходимостью уменьшения вредного воздействия этих двигателей на человека и окружающую среду - с другой Без, хотя бы частичного, разрешения этого противоречия существование человечества в сравнительно близком будущем станет проблематичным
Учитывая, что практически все конструктивные решения, направленные на уменьшение вредных выбросов, приводят к тем или иным негативным последствиям (Варшавский И Л, Жегалин О Н, Новоселов А Л, Смайлис В И и др), наиболее перспективным и целесообразным на современным этапе можно считать внедрение в практику специальных устройств для нейтрализации (в частности, каталитических нейтрализаторов - КН) и фильтрации ОГ, устанавливаемых в выпускной коллектор или за ним, в сочетании с малотоксичными регулировками
При этом следует иметь в виду, что эффективность работы КН существенно зависит от температуры ОГ Причем, вредны как малые, так и чрезмерно высокие ее значения Между тем большую часть времени силовые установки мобильной техники работают на переменных скоростных и нагрузочных режимах В результате этого температура ОГ колеблегся в широких пределах (от 120 до 750 С и выше), что создает научную проблему обеспечения оптимального температурного режима работы КН
Можно предположить, что решение указанной научной проблемы возможно путем использования стабилизатора температуры ОГ, установленного в выпускной системе ПДВС и обеспечивающего практическую неизменность температуры процессов в КН при работе двигателя на различных режимах Однако примеры использования стабилизатора температуры ОГ ПДВС, работающего по принципу теплового аккумулятора, в литературе практически отсутствуют, что и предопределило цель диссертационной работы
Цель настоящего исследования — повысить эффективность снижения вредных выбросов поршневых ДВС с каталитическим нейтрализатором за счет стабилизации температуры отработавших газов при работе двигателей на переменных режимах
Объектом исследования служили энергетические процессы, происходящие в стабилизаторе температуры отработавших газов, содержащем тепло-аккумулирующее вещество, находящееся в состоянии фазового перехода
Предметом исследования являлись закономерности изменения темпера
туры ОГ при прохождении их через стабилизатор температуры и влияние этих
изменений на эффективность снижения концентрации вредных веществ в ката
литическом нейтрализаторе і
Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач и достижения поставленной цели в работе использовались основные положения классической термодинамики и теории теплообмена теоретический анализ, обобщение научной и специальной литературы, теоретические и экспериментальные методы исследования, методы математического моделирования, математической и статистической обработки экспериментальных результатов Работа носит теоретико-экспериментальный характер В опытах использовалась современная измерительная и вычислительная аппаратура
Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором современной измерительной аппаратуры, ее систематической поверкой и тарировкой, соблюдением требований соответствующих стандартов и руководящих документов на проведение испытаний и корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ПК Научные положения и выводы подтверждены результатами, полученными в ходе натурных экспериментов
Научная новизна результатов работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту
-
Разработана физическая и математическая модели энергетических процессов, происходящих в стабилизаторе температуры ОГ нового типа, установленном в выпускном тракте ПДВС перед КН
-
Впервые введено понятие «интегральный коэффициент эффективности нейтрализации», суммарно учитывающий результаты изменения степеней превращения вредных; веществ в ОГ ПДВС после их прохождения через КН
-
Разработан способ определения температуры ОГ, при которой обеспечивается максимальное значение интегрального коэффициента эффективности нейтрализации вредных веществ в ОГ ПДВС
-
Предложено решение задачи сохранения температуры ОГ на уровне, обеспечивающем получение максимального значения интегрального коэффициента эффективности нейтрализации вредных веществ в ОГ ПДВС.
Практическая ценность работы. Предложенные способ и методика определения целесообразной температуры ОГ, позволяют устанавливать ее значение для любого конкретного двигателя
Система уравнений, описывающая энергетические процессы в стабилизаторе температуры ОГ, позволяет определять его конструктивные параметры, при которых обеспечивается получение требуемой температуры ОГ во время работы двигателя на различных режимах
Экспериментально подтверждена возможность решения задачи стабилизации температуры ОГ на уровне, обеспечивающем получение максимального значения интегрального коэффициента эффективности нейтрализации вредных веществ в ОГ ПДВС при работе на различных режимах
Реализация результатов работы. Получен патент на полезную модель КН с системой стабилизации температуры происходящих в нем процессов. Материалы диссертации используются на 88 Центральном автомобильном ремонтном заводе Министерства обороны РФ (г Чита), при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на научно-методических семинарах с участием сотрудников кафедр двигателей и эксплуатации военной автомобильной техники Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (2004-2007 гг), техническом совете ФГУП «15 Центральный автомобильный ремонтный завод» Министерства обороны РФ (Г Новосибирск, 2004-2007 гг), IV Международной научно-практической конференции «Новые топлива с присадками» (г Санкт-Петербург, 2006); Первой Международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» (г Тула, 2006), ГУМеждународном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании военного и гражданского назначения» (г Омск, 2007)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ (в отм числе две в изданиях, входящих в перечень, установленный ВАК) и получен патент на полезную модель
Структура и объем работы. Диссертация содержит 170 страниц машинописного текста, включающего 50 рисунков, 33 таблицы и состоит из введения, пять глав, заключения, списка основной использованной литературы (176 наименований) и приложения
Пути снижения количества токсичных компонентов в отработавших газах поршневых ДВС
Уменьшение выброса вредных веществ с ОГ ПДВС может быть достигнуто с помощью целого комплекса разнообразных мероприятий. Все они могут быть отнесены к одному из четырех направлений [3, 30, 36, 45, 52, 79, 85,102, 108 и др.].
Первое направление объединяет решения, затрагивающие рабочий цикл двигателя и воздействующие непосредственно на процессы образования вредных веществ в его цилиндрах [13, 23, 88, 99, 120, 131 и др.]. Сюда относятся: совершенствование конструкции камеры сгорания, выпускной и впускной систем, системы питания двигателя; впрыск воды; рециркуляция ОГ и ряд других мероприятий.
Сущность второго направления заключается в обезвреживании вышедших из цилиндра продуктов сгорания при помощи специальных устройств, встроенных в выпускную систему двигателя и применяемых как дополнительное оборудование [57, 80, 84, 86 и др.]. Такие системы позволяют без значительных изменений в конструкции двигателя существенно снизить выбросы вредных веществ.
Третье направление среди мероприятий по снижению токсичности предполагает замену традиционных топлив нефтяного происхождения другими, альтернативными топливами, выделяющими при сгорании меньшее количество вредных веществ (газообразными топливами, топливными смесями и др.), либо использование присадок, обеспечивающих снижение выброса токсичных компонентов [95, 98, 101 и др.].
Последнее, четвертое направление включает мероприятия по обеспечению оптимальных регулировок и режимов эксплуатации двигателя.
Все указанные направления весьма полно изложены в многочисленной специальной литературе [6, 9, 32, 72, 79,, 81, 82, 103, 104, 131, 132 и др.], поэтому нет смысла приводить в настоящей работе соответствующий материал.
Однако чрезвычайно важно отметить результаты сравнение путей снижения вредных выбросов с ОГ дизелей, приведенные в работе [104].
Анализ показал, что наибольший эффект в отношении уменьшения выбросов оксида углерода и углеводородов может быть достигнут при помощи специальных устройств, встроенных в выпускную систему двигателя и применяемых как дополнительное оборудование - каталитических нейтрализаторов (КН).
Из методов воздействия на содержание сажи и твердых частиц одним из лучших (третьим, после антидымных присадок и жидкостной нейтрализации) является также представитель второго направления - керамические пористые фильтры на выпуске, которые могут быть встроены в КН.
Ранжирование методов по результатам снижения выбросов оксидов азота показало, что на первом месте здесь стоит частичная рециркуляция ОГ, на втором - впрыск воды в цилиндры двигателя, на третьем - применения камер сгорания разделенного типа. Заметим, однако, что из перечисленных методов только впрыск воды позволяет избежать нежелательных последствий: снижения мощности и экономичности двигателя.
В плане использования воды как средства, способствующего уменьшению содержания оксидов азота в ОГ, можно отметить еще один метод, относящийся ко второму направлению мероприятий по борьбе с экологической опасностью поршневых ДВС. Речь идет о поршневых двигателях с внутренним объемным парообразованием, использование которых позволяет одновременное решать проблемы снижения концентрации в вредных веществ в ОГ и утилизации тепловых потерь с ними [64, 65, 125, 128, 133]. В цилиндр такого двигателя поступают ОГ ДВС, сжимаются и в них впрыскивается вода (рис. 1.1)
Расчеты показывают, что температура в конце сжатия может достигать 1500 С и более. Распыленная в объеме внутрицилиндрового пространства вода в этих условиях интенсивно испаряется, рабочее тело расширяется, производя полезную работу. В результате увеличивается общая мощность силовой установки (включающей ДВС и утилизационный двигатель), снижается удельный расход топлива и вредное воздействие ДВС на окружающую среду [64].
В цилиндре имеются два окна, одно из которых (впускное) соединено с выпускным трубопроводом поршневого или комбинированного ДВС, а другое (выпускное) - с выпускным трубопроводом, через который уходящая из цилиндра утилизационного двигателя отработавшая парогазовая смесь попадает в конденсатор, охлаждаемый проточной водой. Здесь пары, находящиеся в смеси, конденсируются и отделяются от газов, которые по трубопроводу направляются в атмосферу. Полученный конденсат может быть вновь использован для питания утилизационного двигателя.
Работает двигатель следующим образом. В момент, когда при движении поршня от ВМТ к НМТ его верхняя кромка начнет открывать впускное окно, горячие ОГ поршневого или комбинированного ДВС начинают попадать во внутрицилиндровый объем.
Наполнение цилиндра продолжается в ходе продолжающегося перемещения поршня к НМТ и, далее, при его обратном движении от НМТ к ВМТ до тех пор, пока верхняя кромка поршня не перекроет впускное окно.
С момента, когда движущийся поршень перекроет выпускное окно, начнется сжатие поступивших в цилиндр отработавших газов ДВС.
По мере приближения поршня к ВМТ температура рабочего тела повышается и вблизи к ВМТ через форсунку в объем цилиндра начинает впрыскиваться вода. Происходит интенсивное парообразование, давление в цилиндре повышается и обусловливает перемещение поршня вниз к НМТ. Как только верхняя кромка (днище) поршня при его движении к НМТ начнет открывать выпускное окно, расширяющееся рабочее тело будет выходить из цилиндра за счет перепада давления внутри цилиндра и в системе выпуска из утилизационного двигателя, а после открытия впускного окна, еще и в результате продувки цилиндра ОГ ДВС.
Затем описанный рабочий цикл повторяется.
Исследования [148] показали, что при помощи утилизационного поршневого двигателя с внутренним объемным парообразованием можно обеспечить снижение дымности отработавших газов более, чем на 30 %, концентрации оксида углерода и углеводородов - на 70 %; оксидов азота - на 30 %; суммарный выброс вредных веществ, приведенный к СО, на 45 %. Здесь пары, находящиеся в смеси, конденсируются и отделяются от газов, которые по трубопроводу направляются в атмосферу. Полученный конденсат может быть вновь использован для питания утилизационного двигателя.
Большое количество подобных утилизационных систем было предложено и изготовлено учеными кафедры двигателей Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института) [134, 135, 136,137и др.].
Учитывая, однако, весьма серьезные проблемы с очисткой конденсата пара, вышедшего из конденсатора обсуждаемого двигателя, недостаточную его апробацию в условиях эксплуатации, следует признать, что практическое применение рассмотренной системы весьма проблематично.
Учитывая, что практически все конструктивные решения, направленные на уменьшение вредных выбросов, приводят к тем или иным негативным последствиям, наиболее перспективным и целесообразным на современным этапе можно считать внедрение в практику специальных устройств для нейтрализации и фильтрации ОГ, устанавливаемых в выпускной коллектор или за него, в сочетании с малотоксичными регулировками.
Методика экспериментального исследования
Методика определения целесообразного уровня стабилизации температуры ОГ перед их попаданием в КН заключалась в следующем.
Для каждого вредного компонента с использованием математической модели каталитической нейтрализации ОГ, разработанной учеными Алтайского государственного технического университета [85, 103], рассчитывали степени превращения вредных компонентов при различных режимах работы дизеля:
Затем складывали степени превращения вредных компонентов на каждом режиме работы дизеля и строили график АС . =f(Tor). По характеру кривой делали вывод о значении температуры ОГ, позволяющей обеспечить наиболее эффективную работу КН на рассматриваемом режиме работы двигателя.
Совместный анализ указанных кривых на всех исследованных режимах позволил сделать вывод о целесообразном значении температуры ОГ на входе в КН.
Выбор TAB, позволяющего стабилизировать температуру ОГ на установленном уровне перед их попаданием в КН при работе дизеля на различных режимах производился из следующих соображений.
Эти вещества прежде всего, должны иметь температуру фазового перехода близкую, к требуемой температуре ОГ на входе в КН, и возможно большее значение теплоты фазового перехода. Они не должны разлагаться при плавлении и не растворяться в избыточной воде. Теплоаккумулирую-щие материалы должны: кристаллизоваться отдельными кристаллами; иметь возможно меньшую разницу плотности твердой и жидкой фаз, иметь низкую степень токсичности и агрессивности по отношению к материалу емкости, в которой они находятся.
После выбора TAB был проведен расчет конструктивных характеристик СТОГ с использованием математической модели, разработанной во второй главе.
В основу стендовых исследований СТОГ были положены температурные режимы ОГ с учетом распределения нагрузок и частоты вращения коленчатого вала в условиях городской эксплуатации автомобиля с дизелем КамАЗ-740 [103]. Численные значения температуры ОГ и их расхода на каждом из режимов (заимствованные из работы [18]) воспроизводили на специальном стенде для изучения процессов в СТОГ (описанном в главе 4).
Исследование проводилось на 15 режимах (последовательность работы на каждом из них показаны в табл. 5.3). Продолжительность работы на каждом режиме составляла одну минуту, переход с одного режима на другой осуществляли за 30 с. Было проведено три цикла изменения режимов.
После завершения натурного эксперимента для каждого из режимов с помощью разработанной математической модели процессов в СТОГ был вы полнен расчет температуры ОГ после прохождения ими через стабилизатор температуры.
Затем определяли: размах колебаний и коэффициент вариации (колеблемость) температуры на входе в СТОГ и на выходе из него, а также введенный впервые в настоящей работе показатель - коэффициент стабилизации температуры ОГ. Этот коэффициент показывает степень отклонения фактической температуры ОГ перед КН от ее целесообразного значения и определяется по формуле
Кроме этого, для оценки гидравлического сопротивления СТОГ, определяли разницу давлений ОГ на входе и на выходе из него.
С точки зрения статистики результаты экспериментов и расчетов представляют собой связанные (коррелированные) выборки. Поэтому факт адекватности математической модели процессов, происходящих в СТОГ (т. е. справедливость статистической гипотезы о совпадении результатов эксперимента и расчета), и ее доверительную вероятность определяли следующим образом [20]:
1) для каждого режима находили разницу между результатами расчета и эксперимента dj;
2) рассчитывали среднюю арифметическую разностей:
3) определяли среднее квадратическое отклонение разностей и среднее квадратическое отклонение средней разности по формулам:
Экспериментальную оценку выбросы вредных веществ дизеля КамАЗ-740 проводили на стенде на режимах внешней и частичных скоростных характеристик, а также нагрузочной характеристики тремя сериями: в штатной комплектации выпускной системы; при оборудовании выпускной системы дизеля КН; при установке перед КН стабилизатора температуры ОГ. По полученным результатам строили универсальные характеристики вредных выбросов.
На основании экспериментов третьего этапа исследования были построены: внешняя скоростная характеристика; нагрузочная характеристика (при частоте вращения коленчатого вала п=1800 мин"1); многопараметровые характеристики выбросов вредных веществ с ОГ испытываемого дизеля.
Методика проведения рассматриваемого этапа предполагала оценку:
1. Снижения концентрации вредных выбросов с ОГ дизеля КамАЗ-740 при работе по внешней скоростной и нагрузочной характеристикам.
2. Диапазонов превращения вредных компонентов при работе дизеля КамАЗ-740 по внешней скоростной и нагрузочной характеристикам.
3. Области наибольшего снижения концентрации вредных выбросов с ОГ дизеля КамАЗ-740 при работе на различных режимах.
Определение выбросов вредных веществ с ОГ при работе дизеля КамАЗ-740 на стенде проводилось в соответствии с Правилом ЕЭК ООН №49.02, которое применяется для дизелей грузового автотранспорта. Это Правило предусматривает испытания дизеля по тринадцати режимному циклу (табл. 3.1).
Обработка данных исследования токсичности ОГ двигателей по тринадцати режимному циклу состояла в следующем. Вначале определяли уровни выбросов СО, СН, NOx-и твердых частиц. Затем для каждого из 13 режимов вычисляли массовые выбросы названных компонентов по выражениям
Для оценки содержания твердых частиц мы воспользовались уравнением, позволяющим аппроксимировать их содержание в ОГ дизелей (нерастворимых и растворимых) в зависимости от дымности и концентрации газообразных суммарных углеводородов [26]. Это уравнение (адаптированное к настоящей методике) представляет собой сумму двух полиномов второй степени:
Для оценки эффективности нейтрализации вредных веществ в ОГ обычно используются два показателя [26, 53, 131]:
- показатель эффективности нейтрализации соответствующего вредного компонента
- степень превращения соответствующего вредного компонента:
- концентрации і-го компонента в ОГ при работе двигателя без нейтрализатора и с нейтрализатором (в любых единицах измерения).
Однако эти показатели дают представление о содержании вредных веществ в ОГ только на каком-либо одном режиме работы двигателя. Для оценки эффективности нейтрализации на всех 13 режимах комплексно приведенные выше показатели рассматривались в форме интегральных характеристик. С учетом удельных выбросов для 13-режимного цикла, определенных по уравнению (3.7), показатель эффективности нейтрализации соответствующего вредного компонента будет равен:
Предложенные выше показатели (3.14) и (3.15) оценивают эффективность установки в выпускной тракт двигателя КН со СТОГ, однако не дают представления об эффективности введения в систему СТОГ для работы самого КН. Дело в том, что нейтрализатор не только очищает ОГ от вредных веществ, но и создает определенное противодавление выпуску продуктов сгорания из цилиндров, что в свою очередь, ухудшает протекание рабочего процесса и, как одно из следствий, приводит к некоторому повышению токсичности. В результате на нейтрализатор приходится дополнительная нагрузка.
Экспериментальная установка для стендовых исследований содержания вредных веществ в отработавших газах дизеля КамАЗ-740 и экспериментальный автомобиль для натурных ездовых испытаний
Для решения задач третьего, четвертого и шестого этапов экспериментальных исследований был создан испытательный стенд. В состав стенда (принципиальная схема и общий вид которого показаны на рис. 4.4 и 4.5) вошли: дизель КамАЗ-740, испытательный стенд DS-1036-4/N с измерительной аппаратурой, стабилизатор температуры отработавших газов, каталитический нейтрализатор с пористым каталитическим элементом, приборы для определения токсичности и дымности отработавших газов дизеля Дизель КамАЗ-740 серийного исполнения, техническая характеристика которого приведена в табл. 4.1, с помощью карданного вала соединен с валом ротора балансирного динамометра постоянного тока испытательного стенда DS-1036-4/N. Испытательный стенд типа DS имеет возможность работать с плавным переходом от двигательного режима к генераторному. Имеющееся оборудование позволяет автоматически поддерживать частоту вращения коленчатого вала двигателя в широком диапазоне нагрузки при работе в режиме генератора и двигателя, а также автоматически управлять крутящим моментом.
Испытательный стенд DS-1036-4/N имеет следующие основные параметры:
- тормозная мощность потребляемая - 245 кВт;
- мощность в режиме генератора - 230 кВт;
- мощность в режиме двигателя -216 кВт;
- напряжение якорей - 660 В;
- ток в цепи якорей - 248 А;
- частота вращения вала ротора - до 3000 мин"
- напряжение возбуждения - 220 В.
Настройка требуемого значения частоты вращения и крутящего момента может осуществляться ручным потенциометрическим регулятором, либо автоматически. Нагрузочный режим работы двигателя регулировался путем изменения подачи топлива и частотой вращения вала тормоза, мощность -поглощалась за счет рекуперации электрической энергии.
В системе охлаждения дизеля КамАЗ-740 отсутствовали радиатор и вентилятор. Охлаждение двигателя осуществлялось проточной водопроводной водой, причем поддержание нормального теплового режима двигателя обеспечивалось положением рукояток кранов и термостатами. Контроль температуры охлаждающей жидкости осуществлялся по магнитоэлектрическому термометру марки TUE-48-1. В смазочную систему изменения не вносились. Контроль давления масла осуществлялся по указателю давления маела, а температуры масла - по термометру TUE - 48-1. В систему питания дизеля включен автоматический измеритель расхода топлива АИР-50, позволяющий определять часовой расход топлива. Расход воздуха определяли с помощью ротационного газового счетчика типа РГ-600-1-1.5.
При проведении третьего и четвертого этапов экспериментов в систему выпуска ОГ дизеля последовательно устанавливали КН и КН, совмещенным со СТОГ. Контроль температуры ОГ в различных местах системы выпуска производили с помощью двух хромель-алюмелевых термопар типа Т-80-Т и потенциометра КСП-4. Контроль температуры окружающего воздуха осуществляли по показаниям термометра ТЛ-18, а атмосферное давление определяли по барометру М-98.
Для снижения вредных выбросов с ОГ использован КН (рис. 4.6), созданный в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова, с пористыми блочными носителями катализатора, полученными с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС -технологий), разработанного и изученного Центром порошковой металлургии под руководством д. ф.-м. н., профессора В.В. Евстигнеева. Принципиальная схема использованного КН показана на рис. 4.6, а его общий вид и каталитические блоки - на 4.7.
Работа КН осуществлялось следующим образом (см. рис. 4.5): ОГ дизеля через впускной патрубок 10 поступали во внешнюю полость 1 перед сажевым фильтром 11 Проходя через пористые стенки сажевого фильтра, очищаясь от ТЧ, ОГ поступали во внутреннюю полость 3 окислительного блока 9. Далее, через пористые стенки окислительного блока и окна поперечной перегородки ОГ попадали в наружную полость 4 восстановительного блока 7. При проходе ОГ через стенки восстановительного блока, происходило восстановление оксидов азота, и ОГ через выпускной патрубок 5 выбрасывались в выпускной тракт.
Содержание вредных веществ в уходящих газах определяли при помощи инфракрасного многоканального газоанализатора модели INFRALYT-4000 и дымомера модели ДО-1.
Основные характеристики газоанализатора INFRALYT-4000 стандартные диапазоны измерения компонентов выхлопных газов:
- СО -0-10об.%;
- С02 - 0 - 15 об. %; 0-20 об. %;
- СХНУ (в виде С3Н8) - 0 - 9999 ррт; 0 - 4000 ррт;
- NOx -0-9999ррт; 0-6000ррт. Сетевое напряжение 220 В (+ 10 % -15 %). Частота сети 50 ± 1 Гц. Потребляемая мощность: не более 45 Вт. Класс погрешности: 2,0 (по ТГЛ 22628). Заданная характеристика: линейная. Отклонение от линейности: 1 % конечного значения.
Дымомер оптический ДО-1 предназначен для экспресс контроля дым ности ОГ дизелей. Он представляет собой прибор, состоящий из оптического детектора и измерителя дыма. Измеритель дыма включает систему питания, электронные схемы усиления и масштабирования, индикатор регистрации дымности.
Измеряемая величина - дымность 0 - 100 %
Питание 220 В, 12 В, 24 В
Масса 3,2 кг.
Измеренные значения токсичности по СО, СХНУ, NOx и саже, с целью определения комплексного и приведенного по СО показателей, пересчиты-вались согласно [1] в единицы измерения г/(кВт-ч) и г/м .
Для решения задач пятого этапа экспериментального исследования -проведения натурных испытаний дизеля КамАЗ-740 в соответствии с условиями ездового 11-километрового цикла ЕСЕ R15/05 был использован автомобиль УРАЛ-4320 (рис. 4.8).
Испытания проводили в штатной комплектации выпускной системы дизеля глушителями шума выпуска; при оборудовании выпускной системы КН (при этом каталитический нейтрализатор устанавливался взамен штатных глушителей) и при установке перед КН, совмещенного со СТОГ.
Во всех случаях выпускная система была оснащена газоанализатором INFRALYT-4000 и оптическим дымомером Д-1, которые позволяли определять содержание вредных веществ в ОГ до и после КН.
Результаты исследования эффективности снижения вредных выбросов дизеля КамАЗ-740 в случае установки перед каталитическим нейтрализатором стабилизатора температуры отработавших газов при работе по внешней и частичным скоростным, а также по нагрузочной характеристикам
В соответствии с разработанной методикой исследования на рассматриваемом этапе проведения экспериментов были определены выбросы вредных веществ при стендовых испытаниях дизеля КамАЗ-740 на режимах внешней и частичных скоростных характеристик, а также нагрузочной характеристики тремя сериями:
1 - в штатной комплектации выпускной системы;
2 - при оборудовании выпускной системы дизеля КН;
3 - при установке перед КН стабилизатора температуры ОГ.
На основании этих экспериментов были построены многопараметро-вые характеристики выбросов вредных веществ с ОГ испытанного дизеля.
На рис. 5.5 показано содержание вредных веществ в ОГ при работе по внешней скоростной характеристике.
Отметим, что характеристику начинали снимать после прогрева двигателя до рабочей температуры охлаждающей жидкости, а представленные результаты являются усредненными трехкратных измерений.
Результаты, характеризующие использование в выпускной системе дизеля КН и оборудование его СТОГ при работе по внешней скоростной характеристике, представлены в табл. 5.4.
Материалы рис. 5.5 и табл. 5.4 свидетельствуют о том, что введение в выпускную систему СТОГ в дополнение к КН положительно сказалось на снижении выбросов оксида углерода, углеводородов и оксидов азота.
Особенно существенным оказалось уменьшение концентрации углеводородов. Однако содержание концентрации твердых частиц снизилось (весьма незначительно) только на малых частотах вращения коленчатого вала. В остальном же скоростном диапазоне, и особенно на максимальных оборотах, установка СТОГ привела к увеличению выброса твердых частиц. Причина этого заключается, повидимому, в снижении температуры ОГ, поступающих в КН, на этих режимах по сравнению с работой без СТОГ.
На рис. 5.6 показано содержание вредных веществ в ОГ при работе по нагрузочной характеристике.
Результаты, характеризующие использование в выпускной системе дизеля КамАЗ-740 каталитичского нейтрализатра и оборудования его СТОГ при работе по нагрузочной характеристике, представлены в табл. 5.5.
Материалы рис. 5.6 и табл. 5.5 свидетельствуют о том, что введение в выпускную систему СТОГ в дополнение к КН во всем диапазоне нагрузок практически одинаково положительно сказалось на снижении выбросов оксида углерода и углеводородов. Несколько меньшее положительное влияние стабилизации температуры проявилось в отношении оксидов азота и твердых частиц.
С их использованием были построены многопараметровые характеристики степеней превращения рассматриваемых вредных веществ (рис. 5.9 и 5.10)в результате применения КН (сплошные линии) и оборудования КН стабилизатором температуры ОГ (пунктирные линии).
Результаты обработки полученных материалов позволили найти диапазоны превращения вредных компонентов при работе дизеля КамАЗ-740 на различных скоростных режимах (табл. 5.6) и нагрузочных режимах (табл. 5.10).
Как видно из данных табл. 5.7, наибольший эффект в плане уменьшения диапазонов превращения вредных компонентов за счет использования СТОГ при работе дизеля КамАЗ-740 на различных скоростных режимах для окиси углерода, углеводородов и оксидов азота имеет место на низких частотах вращения коленчатого вала. Это обусловлено существенным повышением температуры ОГ на этих скоростных режимах за счет работы стабилизатора.
Обратная зависимость эффекта применения СТОГ имеет место в отношении содержания твердых частиц. Возможно, это связано с тем, что на низких частотах вращения коленчатого вала содержание одного из важнейших компонентов, образующих твердые частицы - сажи, относительно невелико. С ростом же оборотов дымность существенно возрастает и уменьшение диапазонов превращения твердых частиц за счет использования СТОГ становится все более очевидным.
Материалы табл. 5.8 позволяют утверждать, что средние значения степеней превращения вредных компонентов при работе дизеля КамАЗ-740 на различных скоростных режимах при использовании СТОГ всегда выше, чем без него.
Результаты оценки увеличения средних значений степеней превращения вредных компонентов за счет использования СТОГ при работе дизеля КамАЗ-740 на различных скоростных режимах свидетельствую о том, что практически на всех скоростных режимах стабилизация температуры ОГ дает несомненный положительный эффект. Исключение составил лишь режим п=1000 мин"1, что, возможно, связано с ошибкой измерения содержания СН на этом режиме.
Подводя итог рассмотрению влияния применения СТОГ при работе дизеля КамАЗ-740 на различных скоростных режимах можно утверждать, что стабилизация температуры ОГ существенно «демпфировала» изменения степеней превращения всех вредных компонентов и повысило эффективность снижения их концентрации.
В табл. 5.10 представлены диапазоны превращения вредных компонентов при работе дизеля КамАЗ-740 на различных нагрузках.
