Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. Критерии оценки дизеля как источника загрязнения воздуха 8
1.2. Краткий обзор работ по исследованию и снижению токсичности и вредных выбросов
дизелей 16
1.3. Анализ динамических характеристик аппаратуры для измерения состава газов 22
1.4. Методы и средства измерения массы вредных выбросов дизелей 36
1.5. Выводы. Цели и задачи исследования 43
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СОСТАВА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ И ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ 47
2.1. Измерение переменного состава газов при дискретном контроле 47
2.1.1. Постановка задачи и требования, предъявляемые к методу измерения 47
2.1.2. Необходимая частота и количество измерений 50
2.1.3. Время отбора и представительность пробы 56
2.1.4. Состав пробы и его соответствие составу отработавших газов 65
2.2. Измерение уровня вредных выбросов при непрерывном отборе пропорциональной пробы 70
2.2.1. Пропорциональная проба и требования, предъявляемые к системе, обеспечивающей ее отбор 70
2.2.2. Функциональная схема системы пробоотбора и выбор ее элементов 72
2.2.3. Структурная схема следящей системы, ее математическое описание и анализ устойчивости 82
2.2.4. Результаты испытаний системы непрерывного отбора пропорциональной пробы 89
ГЛАВА 3. ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ, ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СТЕНДОВ, МЕТОДИКА И ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ 93
3.1. Программа экспериментального исследования 93
3.2. Описание моторных стендов 97
3.3. Измеряемые параметры, методика и погрешность измерений 102
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЖЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТОКСИЧНОСТИ И ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ 124
4.1. Исходный уровень токсичности и вредных выбросов дизелей 124
4.2. Обобщение и анализ результатов экспериментального исследования 149
4.3. Разработка и проверка эффективности мероприятий по снижению токсичности
и вредных выбросов дизелей 156
4.4. Выводы 175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
ЛИТЕРАТУРА 184
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ І9І-І92
- Критерии оценки дизеля как источника загрязнения воздуха
- Измерение переменного состава газов при дискретном контроле
- Программа экспериментального исследования
- Исходный уровень токсичности и вредных выбросов дизелей
Критерии оценки дизеля как источника загрязнения воздуха
Качественный и количественный состав отработавших газов дизеля полностью определяется природой топлива и окислителя. Основной их состав представляет собой продукты полного сгорания жидкого или газообразного углеводородного топлива, качественно не отличается от атмосферного воздуха и нетоксичен. Этот состав, в той мере в которой он связан с важнейшими параметрами рабочего процесса дизеля, поддается строгому расчету и достаточно полно изучен и описан в работах основоположников классической теории ДВС Мазинга, Гриневецкого /10, II/ и других авторов.
В то же время в отработавших газах дизеля присутствуют многочисленные микропримеси, представляющие собой продукты неполного сгорания топлива, масла и продукты побочных химических реакций.
Именно эти микропримеси, на долю которых приходится 0,02-1$ по объему от основного состава, определяют основные вредные свойства отработавших газов.
По данным Варшавского, Малова /12/, в состав отработавших газов входит не менее ста токсичных компонентов, в то время как специалисты по газовому анализу насчитывают их не менее тысячи /13/.
Несмотря на столь значительное количество токсичных микропримесей, наиболее представительны, а следовательно наиболее опа-сны, по единодушному мнению многих авторов /3, 4, 12, 13/ только шесть из них: окислы азота ( NOx)» окись углерода (СО), двуокись серы ( SOgi), углеводороды (СхНу), альдегиды (А) и сажа.
Вредные свойства основных токсичных компонентов и характер их воздействия на организм человека, по данным работ /3, 14/, выполненных в ЩВДИ Смайлисом, представлены в таблице I.I.
Данные таблицы I.I характеризуют свойства загрязненного воздуха по шести группам критериев, что же касается дизеля, как источника загрязнения воздуха, то для его характеристики наиболее употребимы только три группы критериев: токсичность отработавших газов; дымность отработавших газов; запах и раздражающие свойства отработавших газов.
Принятое разделение на группы экологических показателей дизелей весьма условно и состоит в том, что газообразные токсичные вещества, конденсируясь при охлаждении, превращаются в туман и восприншлаются как дымность, дизельная сажа, абсорбируя на поверхности токсичные вещества, становится токсичной, а запах и раздражающие свойства вызываются наличием в отработавших газах как газообразных веществ, так и аэрозолей.
К наиболее распространенным критериям оценки токсичности дизеля относятся концентрация вредного вещества в отработавших газах, индекс концентрации, скорость выделения вредного вещества, удельные вредные выбросы. Реже употребляются такие понятия как нормообъем, удельный нормообъем, приведенный объем условной окиси углерода и другие /3/.
Рассмотрим критерии оценки токсичности дизеля более подробно і поскольку они наиболее интересны в аспекте настоящей работы.
Понятие "концентрация" по отношению к вредным компонентам отработавших газов дизеля, употребляется в обычном общеизвестном смысле и характеризует либо объемную, либо массовую долю этих компонентов в смеси газов.
Измерение переменного состава газов при дискретном контроле
Состав отработавших газов, определяющий их основные вредные свойства получают при анализе пробы газа, отбираемой непрерывно или дискретно.
Непрерывный отбор и анализ пробы в автоматическом газоанализаторе, как мы уже установили, характеризуется значительной динамической погрешностью.
Дискретный способ отбора проб для анализа состава отработавших газов дизеля, работающего на переходном режиме, вообще не рассматривается в связи с тем, что процесс отбора одной пробы, объемом 0,5-1 литр происходит в течение нескольких секунд. Столь продолжительное время отбора вызвано тем, что оборудование пробоотборной линии включает набор элементов, необходимый для предварительной подготовки пробы к анализу. Это механические фильтры и ловушки конденсата. Их наличие приводит к возрастанию объема пробоотборной линии, поэтому процесс отбора включает процедуру предварительной продувки всей системы.
Анализ методов последующего определения вредных компонентов в составе отобранной пробы показывает, что не существует необходимости совмещать процесс отбра пробы с процессом ее предварительной подготовки, которая может быть выполнена после того, как проба отобрана.
В этом случае применение вакуумного способа отбора позволит отобрать пробу нужной предотайтельности за время значительно меньшее одной секунды.
При осуществлении единичного переходного режима стабилизация параметров, характеризующих работу дизеля, вследствие инерционности его систем, происходит за несколько секунд. По-видимому, за такой же промежуток времени происходит и интенсивное изменение состава отработавших газов, о чем можно судить по продолжительности периода повышенного дымления.
Программа экспериментального исследования
Программа экспериментального исследования предусматривала решение основных задач и достижение главной цели работы. Она включала следующие основные разделы:
определение исходного уровня токсичности и вредных выбросов дизелей при работе на установившихся режимах;
получение исходной информации об уровне токсичности и вредных выбросов дизелей при работе на переходных режимах; анализ полученных экспериментальных материалов и нахождение общих закономерностей и взаимоввязи между показателями, характеризующими работу дизеля и составом отработавших газов, особенно на переходных режимах работы;
разработка мероприятий по снижению токсичности и вредных выбросов дизелей на основе анализа исходной информации;
проверка эффективности мероприятий по сокращению токсичности и вредных выбросов дизелей как на установившихся, так и на переходных режимах работы.
Наибольшее внимание было уделено переходным режимам работы дизелей.
Из всего многообразия переходных режимов, наибольший интерес, в аспекте настоящей работы, представляют режимы разгона и режимы наброса нагрузки, которые сопровождаются "видимыми" неблагоприятными экологическими факторами, в первую очередь повышенной дымностью, поэтому интуитивно классифицируются как наиболее неблагоприятные.
Переменный состав отработавших газов и переменное газовыделение дизеля в течение переходного режима работы не позволяют, без предварительного тщательного исследования, решить вопрос о том, действительно ли рассматриваемые режимы являются более неблагоприятными, по сравнению с установившимися.
Представляет также значительный интерес оценка максимально возможного уровня концентрации вредных веществ в отработавших газах и изучение условий, при которых этот уровень достигается и как долго сохраняется. Это направление исследований предпринимается с целью нахождения эффективных способов улучшения экологических показателей дизелей, включаючих регулировки его систем и выбор наиболее рациональных режимов эксплуатации.
В специальной технической литературе, уже упоминавшейся в настоящей работе /3, 4/ и во многих других источниках содержатся сведения о различных опробированных способах снижения токсичности отработавших газов дизелей при работе на установившихся режимах. Эти способы развиваются по двум основным направлениям -снижение образования вредных веществ в цилиндре дизеля и обезвреживание отработавших газов после выхода их из цилиндра.
Первое направление включает наиболее радикальные способы улучшения экологических показателей дизелей, имеет предметом исследования рабочий процесс дизеля и будет рассмотрено более подробно.
Второе направление изучает устройства, встраиваемые в выхлопную систему дизеля и в рамках данной работы не рассматривается.
Исходный уровень токсичности и вредных выбросов дизелей
Изменение показателей дизеля 44 9,5/10 при разгоне с различной нагрузкой показано на рисунках 4.1, 4.2, 4.3. Характер изменения непосредственно зарегистрированных величин является типичным для режимов разгона резким перемещением органа управления. Продолжительность переходного режима, началом которого считается момент начала перемещения органа управления, а концом - достижение заданной конечной мощности составляет (5-6) с. Наименьшая продолжительность соответствует при этом уровню конечной нагрузки 0,16 МПа (сухой гидротормоз). Тем не менее, в течение переходного режима уровень нагрузки достигает значения 0,35 МПа за счет действия инерционных сил.
Разгон с полной нагрузкой имеет наибольшую продолжительность (6 с) и осуществляется при максимальной цикловой подаче топлива. При разгоне по характеристике сухого гидротормоза максимальная цикловая подача имеет место только в начальный период разгона и, в дальнейшем, плавно понижается до уровня, соответствующего конечному установившемуся режиму. Расход воздуха дизелем прямопро-порционален частоте вращения коленчатого вала, но наполнение цилиндров воздухом, по сравнению с установившимися режимами при одинаковой частоте вращения коленчатого вала,ухудшается на (6-10)$.
Сопоставляя мгновенные показатели рабочего процесса дизеля (рис. 4.2) и состав отработавших газов (рис. 4.3), следует отметить следующие качественные закономерности.
