Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Критический анализ проблемы экологической безопасности автомобилей с бензиновыми двигателями и пути ее решения 10
1.1. Проблема снижения выброса вредных веществ автомобильными двигателями 10
1.2. Нормирование экологических показателей автотранспортных средств 16
1.3. Методы снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания 20
1.4. Нейтрализатор отработавших газов. Классификация, устройство и принцип его работы 25
1.5. Выводы, постановка цели и задач диссертационной работы 38
Глава 2. Исследование термодинамического состояния рабочего тела в проточных трактах двигателя и нейтрализатора 41
2.1. Основные направления теоретических исследований 41
2.2. Принципы построения математической модели процессов тепломассообмена в двигателе с принудительным зажиганием и системе выпуска с целью расчета параметров отработавших газов и нейтрализатора 44
2.3. Процессы массогазообмена в двигателе и влияние их на термодинамические параметры отработавших газов в выпускной системе 47
2.4. Расчет рабочего цикла двигателя 59
2.5. Моделирование термодинамических процессов в выпускной системе на участке до нейтрализатора 76
Глава 3. Объекты испытаний. используемое оборудование. методы исследований 92
3.1. Объекты испытаний и оборудование, используемое при испытаниях 92
3.2. Методики исследований нейтрализаторов на эффективность, надежность работы и ресурс на моторном стенде 99
3.3. Методики исследований нейтрализаторов в составе автомобиля 107
Глава 4. Экспериментальные исследования нейтрализаторов 109
4.1 Исследование распределения температур отработавших газов по длине выпускного трубопровода 109
4.2. Исследования нейтрализаторов различных конструкций и типов блоков носителей катализаторов 113
4.3. Исследование влияния количества драгметаллов и их соотношения в катализаторе на эффективные показатели и ресурс нейтрализатора... 145
Глава 5. Разработка новых нейтрализаторов для легковых и грузопассажирских автомобилей массой до 3,5 т 150
5.1. Основы проектирования нейтрализаторов для бензиновых двигателей автомобилей массой до 3,5 т экологического класса 3 150
5.2. Разработка новых конструкций нейтрализаторов для грузопассажирских и легковых автомобилей массой до 3,5 т экологического класса 3 153
5.3. Испытания опытных образцов нейтрализаторов для бензиновых двигателей автомобилей массой до 3,5 т экологического класса 3 155
5.4. Разработка и исследование нейтрализаторов для автомобилей массой до 3,5 тонн с бензиновыми двигателями, обеспечивающих выполнение требований экологического класса 4 автомобильной техники 170
Основные результаты и выводы 178
Библиографический список использованной
Литературы 180
- Нормирование экологических показателей автотранспортных средств
- Принципы построения математической модели процессов тепломассообмена в двигателе с принудительным зажиганием и системе выпуска с целью расчета параметров отработавших газов и нейтрализатора
- Методики исследований нейтрализаторов на эффективность, надежность работы и ресурс на моторном стенде
- Исследования нейтрализаторов различных конструкций и типов блоков носителей катализаторов
Введение к работе
Автотранспорт является неотъемлемой частью жизнедеятельности человека. Однако непрекращающийся рост мирового автомобильного парка, особенно в городах и промышленных мегаполисах ведет к глобальному загрязнению окружающей среды вредными выбросами автомобильных двигателей и соответственно к критическому загрязнение атмосферы. Поэтому снижение вредных выбросов с отработавшими газами двигателей автотранспортных средств является одной из наиболее значимых задач для разработчиков и производителей автотранспортных средств. Поэтому производители автотранспортной техники и комплектующих к ней обращают особое внимание на разработку систем и устройств, эффективно снижающих выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Наиболее эффективной и распространенной системой для автомобилей с бензиновым двигателем является бифункциональная система нейтрализации вредных веществ отработавших газов. Каталитический нейтрализатор является основным элементом такой системы.
Принятые Правительством Российской Федерации Концепция развития автомобильной промышленности на период до 2010 г., Специальный технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» предусматривали в 2008 г. полный переход промышленности на выпуск автотехники, соответствующей нормативным требованиям экологического класса 3, и поэтапное совершенствование конструкции выпускаемых автомобилей и в том числе устанавливаемых на них нейтрализаторов с целью достижения к 2012 г. нормативных требований экологического класса 4 (постановление Правительства РФ от 26 ноября 2009 года № 956).
Все это требует постоянного проведения обширных исследований в данной области, постоянного поиска новых технических решений при разработке нейтрализаторов и применения новых материалов с целью повышения эффективности конверсии вредных веществ, повышения надежности и ресурса работы в эксплуатации, а также снижения их стоимости.
Исследования, посвященные данной проблеме, выполнены рядом российских и зарубежных ученых, таких как: Большаков A.M., Бурков В.И., Варшавский И.Л., Данченко Н.М., Ерохов В.И., Звонов В.А., Каменев В.Ф., Кутенев В.Ф., Панчишный В.И., Патрахальцев Н.Н., Терентьев Б.А., Фомин В.М., Хрипач Н.А., Bielaczyc О., Gulati S.T., Morgan C.R. и др.
Выполненные в рамках представленной работы исследования предназначены для совершенствования технико-экономических и экологических показателей новых нейтрализаторов, разрабатываемых для автомобилей волжского, горьковского, ульяновского и ижевского заводов. Исследования проводились в соответствии с планами НИР и ОКР ФГУП «НАМИ», указанных выше автомобильных заводов и кафедры «Автотракторные двигатели» МГТУ «МАМИ».
Нормирование экологических показателей автотранспортных средств
Длительное ухудшение экологической ситуации, вызванное индустриальной экспансией второй половины XX столетия, породило потребность в долгосрочном и интенсивном общеевропейском сотрудничестве на правительственном уровне, в активизации межотраслевых связей, а также в развитии соответствующей международной правовой базы. Важным вкладом в развитие институционных и договорных механизмов охраны окружающей среды стал процесс "Окружающая среда для Европы", инициированный Европейской экономической комиссией (ЕЭК) ООН.
Разработкой правил, предписаний и стандартов в области производства автомобильной техники занимается действующий в рамках ЕЭК ООН Комитет по внутреннему транспорту. Правила ЕЭК ООН выпускаемые этим Комитетом обязательны для присоединившихся к ООН стран и являются нормативной базой. Эти нормы постоянно пересматриваются в сторону ужесточения.
Стандарты по ограничению предельно допустимых выбросов оксида углерода и углеводородов впервые были приняты в 1959 году в США. В Европе, в рамках Женевского Соглашения, в 1970 году ЕЭК ООН были приняты Правила №15. С 1991 года приняты Правила 83, устанавливающие предельно допустимые выбросы вредных веществ с отработавшими газами для автотранспортных средств полной массой до 3,5 т. В Правилах 83 для АТС с двигателями, работающими на этилированном топливе, оставлены нормативные требования Правил 15.04.
В данных стандартах нормировались выбросы с отработавшими газами оксида углерода СО, суммарных углеводородов СН, оксидов азота NOx и дисперсных частиц, адсорбирующих на себе ПАУ. В качестве единицы нормирования принят выброс в граммах на километр для АТС массой до 3,5 тонн за время вьшолнения условного ездового цикла, имитируемого на стенде с беговыми барабанами.
В таблице 1.2 представлены действующие и перспективные нормативные требования по выбросу вредных веществ с отработавшими газами двигателей АТС массой до 3,5 тонн в соответствии с европейскими стандартами, известными как нормы ЕВРО[45].
Эти стандарты приняли страны Европейского сообщества и некоторые восточноевропейские страны. Семь стран: Австрия, Дания, Канада, Норвегия, Финляндия, Швейцария и Швеция в 1985 г. по Стокгольмскому соглашению приняли только Правила № 49 для грузовых автомобилей, а для легковых и легких грузовых автомобилей приняли стандарты США 1983 г. Однако, с 1996 г. эти страны также стали применять Правила ЕЭК ООН.
На рисунке 1.5. показана тенденция введения и ужесточения нормативных требований стран Женевского соглашения (Правила 83 ЕЭК ООН) на выброс автотранспортными средствами массой до 3,5 тонн вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Как видно из диаграммы в 1993 году с принятием норм ЕВРО-1 был осуществлен огромный прорыв в осуществлении охраны окружающей среды от вредных токсичных веществ, выбрасываемых автотранспортными средствами. Что также способствовало развитию различных мероприятий по очистке выбросов вредных веществ.
Принципы построения математической модели процессов тепломассообмена в двигателе с принудительным зажиганием и системе выпуска с целью расчета параметров отработавших газов и нейтрализатора
На рисунке 2.1. представлена принципиальная схема газового тракта бензинового двигателя с системой выпуска, в которой установлен нейтрализатор. Газовый тракт начинается с полости воздушного фильтра и общего впускного канала, в котором установлена проставка с дросселирующим элементом и с байпасным каналом переменного сечения, регулирующими расход поступающего воздуха, а значит нагрузку и частоту вращения коленчатого вала двигателя. За дроссельным патрубком, как правило, располагается буферная емкость и главный воздушный канал, который разветвляется на каналы подвода воздуха к четырем емкостям переменного объема - цилиндрам двигателя. В цилиндрах двигателя воздух смешивается с топливом, образуя рабочий заряд цилиндра, при сгорании которого образуются содержащие вредные компоненты отработавшие газы, в основном оксид углерода, углеводороды и оксиды азота. Отработавшие газы отводятся из цилиндров по отдельным патрубкам коллектора и по общему участку выпускной трубы подводятся на вход в нейтрализатор.
В корпусе нейтрализатора отработавшие газы распределяются по параллельным каналам ячеистого блока, в которых на поверхности вторичного носителя покрытого катализатором происходят процессы конверсии вредных компонентов. Отработавшие газы с нейтрализованными вредными компонентами поступают в общую выпускную трубу и далее, проходя через полость глушителя, очищенными выбрасываются в атмосферу.
Для расчета эффективности конверсионных процессов в нейтрализаторе необходимо иметь данные по основным параметрам отработавших газов на входе в каталитический реактор, то есть массовый расход, среднюю температуру и состав отработавших газов. Для теплового расчета нейтрализатора, кроме того, необходимы данные по плотности, вязкости, теплопроводности и ряду других параметров, находящихся в отработавших газах продуктов сгорания горючей смеси. Эти данные получаем путем моделирование процессов тепломассообмена в системе выпуска, начиная с обсчета процессов газообмена и сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя.
Наиболее важно поддержание эффективной работы нейтрализатора на режимах городского движения автомобиля, то есть по условному городскому ездовому циклу Правил 83 ЕЭК ООН, для которого характерны особые условия работы двигателя, а именно холостой ход и малые нагрузки.
Термин «режимы глубокого дросселирования двигателя» и границы этих режимов были сформулированы профессором Каменевым В.Ф. еще в 80-х годах прошлого столетия [18]. К режимами глубокого дросселирования он условно относил режимы холостого хода и близких к ним малых нагрузок, то есть когда перепад давлений во впускной трубе опускается ниже критических значений Арвп= р0 - рвак 53 кПа (рвак - показатель вакуумметра). При этом происходит «сверхзвуковое запирание» сечения в кольцевом зазоре у дроссельной заслонки и расход газа не меняется от частоты вращения коленчатого вала двигателя, а зависит только от угла ее открытия [16,18]. Эти режимы занимают основную долю режимов эксплуатации автомобиля в условиях интенсивного городского движения. На рисунке 2.2. приведена расчетная схема газовоздушного тракта двигателя и впускной системы с установленным в ней нейтрализатором. Схема включает протяженные участки (трубопроводы) и граничные узлы: открытый участок - емкость (воздушный фильтр) - дроссель (проставка) — буферная емкость - тройники (разветвления трубопроводов) - емкости переменного объема (цилиндры) - емкость (нейтрализатор). Протяженные участки и граничные узлы заменяются моделями происходящих в них процессов.
Методики исследований нейтрализаторов на эффективность, надежность работы и ресурс на моторном стенде
Нейтрализатор должен быть спроектирован и изготовлен таким образом, чтобы на протяжении установленного срока эксплуатации транспортного средства, на котором он будет применяться, было обеспечено установленное ограничение выбросов загрязняющих веществ, устойчивость к внешним температурным и механическим воздействиям, которым нейтрализатор подвергается в условиях эксплуатации транспортного средства, к коррозии и соответствие техническим требованиям по шуму (ГОСТ Р 41.51-99). Максимальная эффективность очистки отработавших газов нейтрализатором при температуре на входе в нейтрализатор 350С (±2%) и максимальном расходе отработавших газов через нейтрализатор не должна в процессе всего гарантированного срока эксплуатации быть по оксиду углерода и углеводородам не менее 95%, по оксидам азота не менее 90%. Аэродинамическое сопротивление нейтрализатора при температуре на входе в нейтрализатор 500 С (±2%) и максимальном расходе отработавших газов через нейтрализатор не должно превышать допустимого по техническим условиям завода изготовителя автомобилей значения сопротивления, установленного для системы выпуска двигателя. В целом ресурс нейтрализатора должен составлять не менее 80 000 км пробега.
Для оценки изменения основных технических показателей нейтрализаторов и соответствия их техническим требованиям завода изготовителя разработаны методики лабораторных, моторных и в составе автомобиля контрольных испытаний. Типы и условия проведения испытания рассматриваются ниже на примерах проведенных автором или при его участии конкретных испытаний.
При проведении испытаний двигатель должен соответствовать требованиям, предусмотренным в п.З приложения 4 к ГОСТ Р 41. 83-99. Перед испытаниями нейтрализатор должен быть подвергнут обкатке.
Определение эффективности нейтрализатора по снижению вредных выбросов двигателем в стендовых условиях. При определении эффективности трехкомпонентного (бифункционального) нейтрализатора устанавливают следующий режим работы двигателя. Нагрузка и частота вращения - обеспечивающие объемную скорость отработавших газов через нейтрализатор (55 000 ± 5 000) час"1 и температуру отработавших газов на расстоянии (150 ± 50) мм перед входным фланцем нейтрализатора, равную (400 ± 10 ) С. Состав горючей смеси -переменный, циклический, изменяющийся в пределах от а = (0,93 ± 0,01) до а = (1,09 + 0,01) с частотой 1 Гц.
По результатам замеров строят регулировочные токсические характеристики по составу смеси в интервале от а = 0,9 до а = 1,1 (рисунок ЗЛО.). При построении каждой кривой должно быть определено не менее 9 точек, причем 6 из них в интервале от а = 0,96 до а = 1,06. Перед замером состава отработавших газов на каждом из режимов двигатель должен проработать в установившемся режиме в течение (60± 10) с.
По графику (см. рисунок 3.8.) определяется диапазон изменения состава горючей смеси, при котором эффективность нейтрализатора Ксо и Кен 90% и К NOX - 80%, и отмечают на графике границы, образующие окно бифункциональности (рисунок 3.9.). Ширину окна бифункциональности определяют по формуле 3.1: где а со і оссн и аж х — граничные значения состава смеси.
Величина, вычитаемая в правой части уравнения (3.1), принимается по меньшему значению а со или асн . Эффективность преобразования СО, СН и NOx рассчитывается по формуле: где Свх - концентрация компонента отработавших газов на входе в нейтрализатор; СВых - концентрация того же компонента на выходе из нейтрализатора.
Исследования нейтрализаторов различных конструкций и типов блоков носителей катализаторов
Исследование антитоксичных систем, которые входят в состав автомобильной техники, является неотъемлемой частью проведения сертификационных работ на соответствие транспортных средств экологическим классам согласно техническому регламенту. В свою очередь исследование нейтрализаторов является важной частью работ связанных с разработкой и выпуском в серию автомобильных компонентов СНОГ. Существует много факторов в той или иной степени влияющих на внедрение каталитических нейтрализаторов на российский рынок. Одним из основных факторов является сохранение работоспособности нейтрализатора на протяжении 80000 километров пробега согласно техническим условиям. Для того чтобы выявить ресурс автомобильного каталитического нейтрализатора существует два пути. Один из них заключается в испытаниях нейтрализатора в составе автотранспортного средства на стенде с роликовыми беговыми барабанами. Но в результате большой стоимости таких испытаний, в ФГУП «НАМИ» были разработаны руководящие документы по методикам ускоренных испытаний, которые заключались в испытаниях нейтрализатора в составе двигателя внутреннего сгорания на моторном стенде. Испытание на динамометрическом моторном стенде позволили сымитировать 80000 километров пробега нейтрализатора в составе автомобиля. В свою очередь испытания в составе автомобиля свелись к испытаниям до и после моторных испытаний для подтверждения работоспособности нейтрализатора на автотранспортном средстве и соответствия нормам экологического класса 3, аналога ЕВРО-3.
Для исследования качественного уровня отечественных и зарубежных производителей автокомпонентов СНОГ, в частности каталитических нейтрализаторов для легковых автотранспортных средств, было выбрано несколько образцов, которые подверглись, согласно руководящим документам, испытаниям на эффективность надежность и ресурс. К таким образцам были отнесены различные конструкционно выполненные нейтрализаторы, которые содержали различные типы блоков, различные загрузки и соотношения драгметаллов, а также различное исполнение полукорпусов. Объекты испытаний.
Испытаниям подверглись 12 образцов нейтрализаторов, которые имели металлические, керамические и экспериментальные (проволочные) каталитические блоки с нанесенными на них платинородиевыми или палладиевородиевыми составами драгметаллов. Некоторые блоки также различались по загрузке драгметаллов, единица измерения которой - г/фут3. Характеристики такие как: порядковые номера и массы, измеренные до и после испытаний, состав катализатора и соотношение драгоценных металлов исследуемых образцов каталитических нейтрализаторов отражены в таблице 4.1.
Внешний вид нейтрализаторов №№ 1, 2 до испытаний показан на рисунке 4.4. Нейтрализаторы имеют металлический блок носителя катализатора овальной формы. Корпус нейтрализатора защищен двумя защитными экранами в клипсовом исполнении.
На рисунке 4.5. представлен внешний вид нейтрализаторов № 3,4,5 на момент поставки. Нейтрализаторы имеют один керамический блок носителя катализатора овальной формы. Корпус нейтрализатора имеет односторонний защитный экран в клипсовом исполнении. Использованы две композиции катализатора: платина-родий и палладий-родий.
На рисунке 4.6. показан внешний вид нейтрализаторов №№ 6,7,8,9 до моторных испытаний на динамометрическом стенде. Нейтрализаторы имеют цилиндрический керамический блок носителя катализатора. В нейтрализаторах использовался платинородиевый и палладиевородиевый катализатор. Состав катализатора представлен в таблице 4.1. Корпус нейтрализатора не имеет защитный экран.
Нейтрализатор № 10 являлся экспериментальным нейтрализатором с новым каталитическим блоком. Внешний вид нейтрализатора № 10 на момент поставки представлен на рисунке 4.7. и рисунке 4.8. Нейтрализатор имеет один цилиндрический блок носителя катализатора типа «путанка», который представлен на рисунке 4.9. Корпус нейтрализатора имеет односторонний защитный экран в приварном исполнении.
Внешний вид нейтрализаторов №№ 11,12 на момент поставки - на рисунке 4.10. Нейтрализаторы имеют керамический блок носителя катализатора круглой формы. Корпус нейтрализатора выполнен без защитного экрана.
