Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Оценка уровней вредных выбросов дизелей и путей их снижения. Цели и задачи исследования 10
1.1 Уровни вредных выбросов транспортных дизелей с отработавшими газами 10
1.2 Пути снижения вредных выбросов дизелями с отработавшими газами 14
1.3 Применение антидымных присадок в топлива дизелей 16
1.4 Сведения о воздействии различных присадок в топлива на рабочие процессы дизелей 21
1.5 Направления совершенствования рабочих процессов дизелей изменением состава топлива и способов его подачи 27
1.6 Состав присадок, способствующих снижению вредных выбросов дизелей с отработавшими газами 30
1.7 Опыт применения фильтров твердых частиц и нейтрализаторов 34
1.8 Показатели вредных выбросов дизелей 40
1.9 Выводы по разделу
Цели и задачи исследования 47
Глава 2 Моделирование процессов тепловыделения и образования вредных веществ в цилиндре дизеля при использовании антидымных присадок в топливо
2.1 Анализ возможного механизма воздействия антидымных присадок на рабочий процесс в цилиндре дизеля 49
2.2 Выбор базовой модели процессов образования токсичных веществ и сажи в цилиндрах дизеля при использовании антидымной присадки в топливо 57
2.3 Анализ возможностей использования модели результирующего сажевыделения при добавлении антидымных присадок в топливо дизелей 60
2.4 Уточненная математическая модель образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля, работающего на топливах с антидымными присадками 76
2.5 Выводы по разделу 2 86
Глава 3 Экспериментальные машины и установки. Методика проведения стендовых и дорожных испытаний 87
3.1 Экспериментальные машины 87
3.2 Программа экспериментальных исследований 92
3.3 Экспериментальные установки для стендовых испытаний дизелей 94
3.4 Методика обработки данных, полученных при исследовании токсичности двигателей по 13-ти и 8 - режимным испытательным циклам 100
3.5 Оценка погрешностей измерений и расчетов 103
3.6 Оценка недогорания топлива по результатам газового анализа 106
3.7 Методика расчета выбросов твердых частиц при их определении 107
3.8 Методика анализа индикаторного КПД дизеля 109
3.9 Получение исходных данных об уровнях выбросов с
отработавшими газами 111
3.10 Выводы по разделу 3 117
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 118
4.1 Уровни вредных выбросов 118
4.2 Оценка возможностей снижения уровней вредных выбросов за счет применения дизелей с различными типами смесеобразования и каталитических нейтрализаторов 131
4.3 Оценка эффективности применения антидымных присадок в топливо 137
4.4 результаты оценки экологических и экономических параметров дизелей по скоростным характеристикам 145
4.5 Результаты оценки одновременного применения каталитической нейтрализации отработавших газов и использования антидымных присадок ИХП-706 и МОБИИН-3 в топливо дизеля 148
4.6 Влияние антидымных присадок в топливо на реакционную способность каталитических нейтрализаторов отработавших газов дизелей 151
4.7 Результаты анализа параметров тепловыделения и оценки индикаторного КПД при использовании различных присадок в ' топлива дизелей 153
4.8 Оценка эффективности применения антидымных присадок в топливо по показателю удельного эксплуатационного нормообъема 159
4.9 Результаты оценки недогорания топлива при использовании различных присадок в топлива дизелей 162
4.10 Оценка экономической целесообразности применения антидымных присадок в топливо
4.11 Выводы по разделу 4 169
Основные выводы 170
Литература
- Уровни вредных выбросов транспортных дизелей с отработавшими газами
- Анализ возможного механизма воздействия антидымных присадок на рабочий процесс в цилиндре дизеля
- Экспериментальные установки для стендовых испытаний дизелей
- Оценка возможностей снижения уровней вредных выбросов за счет применения дизелей с различными типами смесеобразования и каталитических нейтрализаторов
Введение к работе
Актуальность настоящего исследования состоит в том, что оно посвящено решению проблем снижения вредных выбросов дизелей с отработавшими газами.
С каждым годом возрастает техногенное воздействие промышленности и транспорта на окружающую среду. Около 40 % токсичных веществ и сажи поступает в атмосферу с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания, в том числе, в общих выбросах всех источников: окиси углерода (СО) - до 34 %, окислов азота (NOx) - до 64 %, сажи - около 30 %.
Дизелизация транспорта, надежды на которую связывались со снижением уровней вредных выбросов в атмосферу, привела к усугублению проблемы, так как дизелями выбрасывается до одного процента сажи в виде твердых частиц (ТЧ) от общего расхода топлива.
Снижение уровней выбросов ТЧ связано со значительным удорожанием и усложнением систем питания, применением дополнительно сажевых фильтров в системе выпуска. Ввиду взаимосвязанности внутрицилиндровых процессов, все мероприятия, направленные на повышение топливной экономичности и снижение выбросов продуктов неполного сгорания приводят, как правило к увеличению уровней выбросов NOx.
Удельные выбросы дизелей при работе на режимах полной нагрузки достигают: по окиси углерода (СО) - 1,5...12,0 г/(кВт-ч); по оксидам серы (SOX)-0,4...2,5 г/(кВт-ч); по альдегидам-0,06...0,2 г/(кВт-ч); по углеводородам суммарно (СхНу)-1,5...8,00 г/(кВт-ч); по бенз-а-пирену-1-10"6...2-10'6 г/(кВт-ч); по окислам азота (NOX)-10...30 г/(кВт-ч); по твердым частицам, включая са-жу-0,25...2,0г/(кВт-ч).
Вместе с этим, в Европейском сообществе с октября 2000 года введен стандарт ЕВРО-3, ограничивающий вредные выбросы дизелей до следующих предельных значений: по СХНУ - до 0,60 г/(кВт-ч); по NOx - до 5,0 г/(кВт-ч); по CO - до 2,00 г/(кВт-ч); по ТЧ - до 0,1(г/кВт-ч) согласно правилу ЕСЕ R 49. Требования этого стандарта не выполнено для большинства выпускаемых дизелей.
Однако с 10.10.2005 года введен следующий стандарт ЕВРО-4, ограничивающий вредные выбросы дизелей до следующих предельных значений: по NOx - до 3,5 г/(кВт-ч); по СО - до 1,5 г/(кВт-ч); по СХНУ - до 0,3 г/(кВт-ч); по ТЧ - до 0,02(г/кВт-ч).
Одним из перспективных направлений снижения выбросов твердых частиц (ТЧ) с отработавшими газами является путь добавления в топлива антидымных, многофункциональных присадок, что позволяет достигать поставленную цель без изменения конструкции дизелей и систем их питания. Этот путь позволяет решать задачу не только относительно новых дизелей, но и дизелей, длительное время находящихся в эксплуатации.
Традиционно сложилось несколько путей снижения вредных выбросов дизелей, в том числе, за счет: создания новых совершенных рабочих процессов; применение малотоксичных регулировок; применение ряда альтернативных топлив и антидымных присадок к ним; каталитической нейтрализации отработавших газов.
Последние два пути не требуют модернизации дизелестроения и рассчитаны в основном на дизели, находящиеся в эксплуатации. Конверсионная техника не подлежит конструкторской переработке, не предусмотрена модернизация дизелей, а малотоксичные регулировки неоднозначно воздействуют на состав отработавших газов.
Каждый из сложившихся путей снижения вредных выбросов с отработавшими газами дизелей представляет собой самостоятельное научное направление. Учитывая длительность создания и отработки новых рабочих процессов, малую эффективность регулировок на уровни вредных выбросов, тактически перспективным оказывается воздействие на рабочий процесс за счет изменения состава топлива и каталитическая нейтрализация газов.
Целью работы явилось совершенствование экологических показателей дизелей путем использования металлосодержащих антидымных присадок в топливо и каталитической нейтрализации газов на выпуске.
Задачами исследования явились следующие:
Создание методики оценки экологической безопасности транспортных дизелей гусеничных и колесных машин и показателя техногенной нагрузки на окружающую среду;
Оценка уровней вредных выбросов дизелей с различными типами смесеобразования для конверсионных гусеничных и колесных машин в условиях стендовых и дорожных испытаний;
Оценка индикаторных показателей и уровней вредных выбросов при использовании антидымных присадок в топлива дизелей;
Оценка уровней техногенной нагрузки дизелей на окружающую среду при одновременном использовании присадок в топливо и каталитической нейтрализации отработавших газов;
Разработка математической модели образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля с учетом присутствия антидымных присадок в топливе.
Научная новизна работы состоит: В разработке методики оценки экологической безопасности дизелей гусеничных и колесных машин. В предложении показателей техногенной нагрузки на окружающую среду, полученных в результатах анализа индикаторных показателей при применении антидымных присадок в топливо. В получение экспериментальных данных об одновременном применении антидымных присадок в топливо и каталитической нейтрализации отработавших газов. В разработке математической модели образования выгорания сажи с учетом присутствия в топливе антидымных присадок.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные выводы и рекомендации позволяют эксплуатирующим организациям решение проблем вредных выбросов перевести в плоскость конструирования со- става топлив, решить проблему по уровням выбросов твердых частиц на уровне требований ЕВРО-4 с дополнительным применением каталитических нейтрализаторов, сажевых фильтров.
Работа выполнена как часть целевой комплексной программы СО РАН «Экология», блок «Атмосфера», региональной программы «Экология» и научно-технической программы «Алтай - ВУЗ» Минобрнауки Российской Федерации.
Реализация результатов исследования осуществлена в ОАО «Рубцовский машиностроительный завод» при повышении экологической безопасности конверсируемых гусеничных машин, в учебном процессе в АлтГТУ.
Методы исследования. Выполненные в работе исследования базировались на основных положениях теории тепловых двигателей, математическом моделировании процессов и анализе индикаторного КПД. Экспериментальные исследования проведены в стендовых условиях и при эксплуатации на натурных образцах гусеничных и колесных машин с применением стандартных методов расчета.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедр «Автомобили и тракторы» Алтайского государственного технического университета и Рубцовского индустриального института в 1999...2005 годах, международной технической конференции в г. Барнауле, ежегодных научно-технических конференциях Рубцовского индустриального института.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в шести печатных работах, опубликованных в сборниках статей Российской академии транспорта и Алтайского государственного технического университета.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов и рекомендаций, списка литературы. Диссертация содержит 189 страниц машинописного текста, 63 рисунков и 26 таблиц.
В соответствии с содержанием работы, автором выносятся на зашиту следующие основные положения:
Методика оценки экологической безопасности транспортных дизелей гусеничных и колесных машин, показатель техногенной нагрузки на окружающую среду и результаты их апробации;
Результаты оценки уровней вредных выбросов дизелей гусеничных и колесных машин, подлежащих конверсии;
Результаты эффективности применения антидымных присадок в топливо и оценки индикаторных и экологических показателей дизелей;
Математическая модель и результаты моделирования образования и выгорания сажи в цилиндре дизеля при добавлении антидымных присадок в топливо;
Результаты оценки уровней техногенной нагрузки на окружающую среду при одновременном использовании присадок в топливо и каталитической нейтрализации отработавших газов.
Уровни вредных выбросов транспортных дизелей с отработавшими газами
При конверсии гусеничных и колесных машин для использования их в народном хозяйстве приходится сталкиваться с тем, что, как правило, дизели в их составе являются высокофорсированными, с высоким уровнем тепловой напряженности, относительно высокими частотами вращения коленчатых валов, а уровни их вредных выбросов с отработавшими газами не соответствуют требованиям отечественных и зарубежных стандартов.
Дизели гусеничных и колесных машин имеют в основном объемное смесеобразование, высокие давления в цикле, а такой тип характеризуется высокими уровнями выбросов окислов азота [91]. Следует отметить, что для дизелей такого типа уровни выбросов окислов азота хорошо коррелируют с расчетными значениями, полученными по выражению, предложенному Р.В. Ма-ловым [68]: cJVOx=8,62.109. (((a-l)/7v)G!rr.exp(- rz))/( - "5)) 5, г/м3, (1.1) где GT -расход топлива, кг/ч; т -тактность дизеля; Vh - рабочий объем дизеля, л; Pz - угол поворота коленчатого вала от начала видимого сгорания до ДОСТИЖеНИЯ Ргмакс» ГрЭД.П.К.В.; Т2 - температура при Рмакс,К; Е0б - энергия активации образования окислов азота, принятая равной 448260 кДж/кмоль; R -газовая постоянная, равная 8,314 кДж/кмоль-град.; ю a - коэффициент избытка воздуха; TJV -коэффициент наполнения; и -частота вращения коленчатого вала,мин_1.
Стремление иметь высокие мощностные и экономические показатели, высокую литровую и массовую мощность привело к тому, что гусеничные и колесные машины оказались в подавляющем большинстве оснащенными дизелями с объемным смесеобразованием.
В свою очередь, оказалось, что дизели конверсируемых гусеничных и колесных машин выбрасывают в окружающую среду значительное количество окислов азота — NOx, окиси углерода - СО, углеводородов - СхНу и твердых частиц - ТЧ. Нормирование уровней этих выбросов осуществляется по устаревшим нормативам ГОСТ Р 41.24-99 и ГОСТ Р 51249-99, которые в значительной степени не соответствуют нормам ЕВРО-3 и ЕВРО-4.
Из данных таблицы 1.1 видно, что в настоящее время уровни вредных выбросов не удовлетворяют нормам стандартов даже ЕВРО-1 и ЕВРО-2. Необходимо отметить, что целый ряд дизелей, например, автомобильных, Kali мАЗ, ЯМЗ по уровням выбросов удовлетворяют требованиям ЕВРО-2, но это только отдельные модификации и экспериментальные образцы. Согласно данным таблицы 1.2, новые дизели ЯМЗ превосходят по достижению норм ЕВРО-2 ранее разработанным и серийно выпускаемым дизелям ЯМЗ-238НБ.
По уровням вредных выбросов транспортных дизелей гусеничных и колесных машин в известной автору литературе, российских и зарубежных журналах за последние десять лет сведения отсутствуют. Исключение- составляет работа С.Л. Гаврилова, И.С. Романченко, М.А. Шашакова [23]. В то же время испытания, проведенные предприятием-изготовителем дизелей 6ЧН15/18, показали, что уровни вредных выбросов по некоторым компонентам отработавших газов значительно превышают значения требований стандартов ЕВРО-3, как это видно из табл. 1.3.
Несмотря на существующую герметизацию моторных отсеков в гусеничных машинах, достаточную вентиляцию кабин и салонов, на стоянках и в движении отработавшие газы проникают в кабины машин и создают на рабочих местах обслуживающего персонала условия экологического дискомфорта. До настоящего времени не нормируется уровень запаха отработавших газов. Запах отработавших газов ощущается людьми даже при значительном разбавлении их чистым воздухом. Это происходит потому, что фильтры очистки воздуха, поступающего в гусеничную машину, не предназначены для химической очистки его от окислов азота, углеводородов, окиси углерода. Только твердые частицы могут удерживаться фильтрами. Другие же вещества, а их в составе отработавших газов обнаружено свыше 1200 и многие из которых токсичны и канцерогенны, беспрепятственно попадают в рабочую зону персонала гусеничных и колесных машин.
Проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что пути снижения вредных выбросов с отработавшими газами дизелей можно представить следующим образом:
1. Методы нейтрализации и фильтрации отработавших газов дизелей. К ним отнесены все устройства, устанавливаемые на автомобили в выпускной кол лектор или за него. В эту группу вошли: - применение жидкостных нейтрализаторов [7,20,2,35,42,53,73,92]; - применение пламенных нейтрализаторов [7,20,5,42,53,73,92]; - применение эжекционных дожигателей [7,20,35,42,53,73,92]; - применение каталитических нейтрализаторов [1,2,7,20,30,33,35,42,53,58-67,69,84,112,120]; - применение термокаталитических нейтрализатиров [1,7,20,33,42,47,73,92]; - подача воздуха в выпускной трубопровод [2,7,20,42,73]; - применение антидымных электрофильтров [1,7,20,22,42,73]; - применение антидымных фильтров из синтетических материалов [20,22,41,43]; - применение фильтрующих элементов из керамики с пропиткой или нанесением катализатора [1,2,20,42,73,92,113,114,125,144]; - применение дожигания в выпускном коллекторе [7,20,42]; - применение комплексов из жидкостных и каталитических нейтрализаторов [20];
2. Применение различных топлив и присадок к ним и к воздуху на впуске: - присадка бензина к воздуху на впуске [1,35,43,53,73]; - присадка бензина к дизельному топливу [35,43,53,73]; - присадка метанола к дизельному топливу [35,43,53,73]; - применение метанола в качестве топлива [35,43,53,73]; - присадка водорода к воздуху на впуске [1,35,43,53,73];
Анализ возможного механизма воздействия антидымных присадок на рабочий процесс в цилиндре дизеля
Остается фактом снижение выбросов твердых частиц с отработавшими газами дизелей при добавлении в топливо антидымных присадок [17, 18, 28, ПО], смещение процесса сгорания к верхней мертвой точке (ВМТ) [29,43,95], повышение топливной экономичности [22, 29, 68], увеличение скоростей тепловыделения между периодами взрывного и диффузионного сгорания [52, 73], изменение величин максимального давления в цилиндре (Pz) [22, 73], скоро стей нарастания давления та [22, 73].
Выдвинутые гипотезы в работах В.Г.Григорьяна, Ж.Г.Манусаджанца, Н.А.Мочешникова, A.M. Алиева и З.Э.Алиева и др. [8, 17, 18,29] о диспергирующем воздействии металлоорганических присадок на мелкость распылива-ния капель топлива не подтверждены и не отвергнуты до настоящего времени.
Рассматривая общую схему преобразования теплоты в механическую работу, приведенную в работах Д.Д.Матиевского [89], следует отметить, что располагаемая теплота топлива и составляющие отведенной теплоты в относительных величинах, выражение индикаторного КПД цикла можно представить в виде: ч;=1-Ахнп-5э-8т-5с-8нс-5 (2.1) где ТІ - индикаторный КПД цикла; Ахип - неполнота сгорания топлива: д ип=1- ; где хь - относительное количество выгоревшего топлива. 5Э - неиспользование тепла в эталонном цикле определяется: т Э=ДХ„/4Ч; (2-2) 5С - неиспользование тепла по причине переменности состава рабочего тела равно: 4-І-г?"--г; (2.3) 1 Єп Єп 5Т - неиспользование тепла по причине изменения температуры: 1 Єп Єп где к - показатель адиабаты, зависящий от температуры и состава рабочего тела; к - показатель адиабаты, зависящий только от состава рабочего тела; ф и ф" - коэффициенты, учитывающие неодинаковые значения показателей адиабат сжатия и расширения в элементарных циклах. бнс - неиспользование тепла из-за несвоевременности ввода теплоты в цикл. Составляющая 5не характеризует уменьшение КПД, определяемое конечной скоростью ввода теплоты в цикл: т т ЕЛХ Г-ХЛХ,,/ -1 (2.5) і і где АХ„ - доля подведенной к рабочему телу теплоты; є0 - геометрическая степень сжатия; 8W - потери тепла на теплообмен: т т b tsX - hXJ ; (2.6) і і где АХ - доля отведенной от рабочего тела теплоты; є„ - среднее зна чение степени сжатия; к - показатель адиабаты.
Такой подход к анализу рабочего процесса дает возможность определиться с неиспользованием теплоты в поршневом двигателе при использовании присадок в топливо и объяснить изменение показателей рабочего процесса в каждом отдельном случае, при наличии экспериментальных данных.
Несвоевременность ввода тепла связана прежде всего с показателями динамики развития топливного факела [57, 88, 89]. Изменение критерия Вебера, характеризующего соотношение сил поверхностного натяжения и инерции при расчете показателей распыливания топлива в случае добавления антидымных присадок к нему можно представить: A We=V02-dc-pT/tfT -Von2-dc-pTn/aTn, (2.7) где V0 ,Von - средние скорости истечения топлива без присадок и с присадкой; Рт , Ртп - плотности топлива без присадок и с присадкой; сгт, атп - коэффициенты поверхностного натяжения топлива без присадки и с присадкой; dc - диаметр соплового отверстия распылителя; ртп = 1/((1-Кп)/рт + кп/рп); кп=тп/штп. Изменение критерия, характеризующего соотношения сил поверхностного натяжения, инерции и вязкости: АМ=Цт2/(Рт с-ат)-Цтп2/(ртп с тп), (2.8) где д.т, Цтп - коэффициенты динамической вязкости топлива без присадки и с присадкой. Изменение критерия нестационарности процесса: АЭ = т2-ат/(рт с3)-т2 атп/(ртп (1с3), (2.9) где т - время от начала впрыска. Изменение отношения плотности воздуха к плотности топлива: Ар = Рв/Рт-Рв/ртп (2.10) где рв - плотность воздуха.
Тогда изменение скорости установившегося истечения топлива из соплового отверстия форсунки: 0,5 f lW ПКС-Л 0,5 AV0 = pc 2(РФП„-РГ) (2.11) -Реп \ Рт ) Ртп j где фс, фсп - коэффициенты скорости истечения; Рф Рфп - давление топлива перед сопловым отверстием; Рвкс - давление воздуха в камере сгорания.
Поскольку добавление присадок к топливу приводит к незначительному увеличению цикловой подачи, этим моментом можно пренебречь и можно считать, что выражение в первых скобках правой части будет условно постоянным числом. Выражение во вторых скобках [88] может характеризовать увеличение числа и ориентации активных центров сгорания и здесь действие присадок может проявиться через рост активных центров. Следующее выражение в скобках описывает сдвиг энергии активации и температуры на скорость выгорания топлива и сажистых частиц.
Сванте Аррениус высказал мысль о том, что только столкновение активных молекул приводит к реакции. Активность молекулы обусловлена избыточной энергией, которая заключается или в повышенной кинетической энергии ее или в сильных колебаниях атомов в молекуле или в повышенных электронных уровнях энергии.
Активные молекулы должны обладать энергией не ниже некоторого предела Е, называемого энергией активации. Ослабление или разрушение внутренних связей реагирующих молекул связано с затратой энергии, энергия необходима на сближение молекул.
Количество соударений активных молекул ,согласно закону Стефана-Больцмана о распределении энергии, составляет только часть соударений молекул, имеющих энергию не ниже Е:
Экспериментальные установки для стендовых испытаний дизелей
Программой испытаний предусматривалось снятие внешних скоростных характеристик дизелей 64 15/18, предназначенных для ДГУ, в диапазоне частот вращения 1000..Л 500 мин 1 и нагрузочных характеристик при 1500 мин" 1 с индицированием цилиндра, всеми измерениями, предусмотренными ГОСТ 10448-80, ГОСТ Р 41-24-99, ГОСТ Р 51249-99, ОСТ 24060.12-79 при работе на дизельном топливе Л-0, 2-40 согласно ГОСТ 305-82 без присадок, а также с присадками "Мобиин-3" у ИХП- 706 и SLD , добавляемых в количествах 0,25 ... 1,25% по массе.
В программу испытаний входило также снятие внешних скоростных характеристик дизеля 6ЧН 15/18 для автомобилей в диапазоне частот вращения 1000... 1900 мин"1 через 100 мин 1 согласно ГОСТ 14846-81, ОСТ 24.060.12-79, ГОСТ 17.2.2.01-84. Испытания проведены со снятием индикаторных диаграмм.
Продолжительность измерения расхода топлива составляла не менее 30 секунд. Измерения дымности и токсичности отработавших газов производилось не менее шести раз на каждом, из режимов. Испытания по 13-режимному испытательному циклу повторялись на топливе с присадками и без присадок. В промежутках между циклами испытаний в целях промывки топливных систем от остатков присадок дизель работал не менее одного часа на топливе по ГОСТ 305-82 на режиме полной нагрузки при 1500 мин"1.
Для сравнения методика проведения экспериментальных исследований предполагала проведение испытаний только дизелей 6ЧН15/18 по 8 режимному испытательному циклу, разработанному фирмой AVL с варьированием частот вращения в диапазоне 500 ... 1900 мин"1 и относительной мощности дизеля в диапазоне: 0,95Ne; 0,7 Ne; 0,5 Ne; 0,41 Ne; 0,18 Ne.
Исследование выбросов окиси углерода и углеводородов проведено с использованием газоанализатора МЕХА-321Е, окислов азота- с использованием газоанализатора RS-325L, дымности отработавших газов-дымомером EFAW 65А BOSCH с помощью бумажных фильтров диаметром 40мм с размером пор около 4,5 мкм.
Присадки добавлялись к топливу за сутки до испытаний. Топливо с присадками находилось в отдельной емкости. Дозирование присадок производилось путем взвешивания на аналитических весах.
Поскольку антидымные присадки в топлива дизелей способствуют снижению уровней отложений на стенках в системах выпуска, были оценены возможности регенерации каталитических нейтрализаторов и одновременного применения каталитической очистки отработавших газов и использования антидымных присадок в топливо. Продолжительность испытаний на определение противодавлений на выпуске дизелей составила 600 моточасов.
Дизель Д20НР-250 прошел испытания на гусеничной машине в 200 этапов по 10 часов каждый. В целях определения стабильности его параметров перед началом испытаний и по окончанию 200-го этапа в стендовых условиях, на режиме полной мощности при 2600 мин 1 было проведено осциллографиро-вание и определение основных показателей, результаты которых приведены в таблице 3.2.
На режиме полной мощности дымность отработавших газов по шкале BOSCH увеличилась с 0,4 до 1,0. Давление масла в главной масляной магистрали при 700 мин"1 холостого хода составляло 0,326...0,356 МПа, а при 2200 мин"1 0,9.. .1,0 МПа.
Величина теплоотдачи на режиме полной мощности составила в воду-18%, в масло- 3,6% от количества тепла подведенного в цикл. Разрежение в картере на режиме полной мощности составляло 200...350 мм вод.столба.
Мощность механических потерь, определенная на режиме максимальной мощности методом отключения цилиндров, составила 80,29 кВт.
Эффективность использования антидымных присадок в топливо дизелей и каталитической нейтрализации отработавших газов была проверена на стенде ОАО «Барнаултрансмаш», оборудованном согласно требованиям действующих стандартов, что позволило получить не только сравнительный экспериментальный материал, но и данные для оценки соответствия комплектаций дизелей требованиям отечественных и зарубежных стандартов.
Установка оборудована всей измерительной аппаратурой и приборами для испытания транспортных дизелей согласно ГОСТ-21393-75 и дооборудовалась специальной измерительной аппаратурой, в том числе по ОСТ-37.001.234-81 и ГОСТ-17.2.2.01-84 для измерения дымности и токсичности дизелей.
Оценка возможностей снижения уровней вредных выбросов за счет применения дизелей с различными типами смесеобразования и каталитических нейтрализаторов
Оценка возможностей снижения уровней вредных выбросов за счет применения дизелей с различными типами смесеобразования по мнению автора включает в себя несколько этапов, как предусмотренных стандартами, так и разработанными ранее методиками. На основании того, что к выбору дизелей для гусеничных машин преступают в условиях полной определенности как по экологическим, экономическим, технико-экономическим, технико-технологическим, так и по эксплуатационным параметрам то если располагать статистическими и экспериментальными данными по показателям конкретных типов дизелей, этапы оценки и выбора дизелей при конверсии гусеничных машин можно, с точки зрения обеспечения экологических параметров, свести к следующим операциям: - сравнению дизелей по оценочным показателям выбросов отдельных токсичных веществ, например, NOx, СО, СХНУ, ТЧ, предусмотренных стандартами России и ЕВРО-4; - сравнение оценок по техногенной нагрузке - критерию, позволяющему в последствии комплексно оценить дизель с показателями вредных выбросов.
В основу определения оценочных показателей вредных выбросов дизелей с отработавшими газами положен 13-режимный испытательный цикл. Это объясняется тем, что согласно стандарту для транспортных дизелей оценочные показатели определяются только по выбросам NOx и СО и в зависимости от удельного расхода топлива, что не соответствует требованиям европейских стандартов, стандартов США и Японии. 13-режимный испытательный цикл принят и при оценке по социально-экологическому критерию. Для каждого из конкурирующих дизелей определялись выбросы без глушителя, с каталитическим нейтрализатором, затем, проводилось сравнение оценочных показателей с нормами на уровни выбросов, предусмотренные стандартами ЕВРО-3 и ЕВРО-4 в целях определения соответствия дизелей действующим и перспективным требованиям.
Выбор нейтрализатора с пористыми проницаемыми СВС-каталитическими блоками конструкции АлтГТУ им. И.И. Ползунова, защищенной патентом Российской Федерации №2075608 был обусловлен тем, что он ранее успешно прошел испытания с дизелем 4ЧН13/14, где устанавливался после ТКР встык. При сравнении эффективности данного каталитического нейтрализатора на дизелях УТД-29, Д20НР-250, ЯМЗ-238БВ, КамАЗ-740-10 была предусмотрена установка двух нейтрализаторов на каждый из рядов цилиндров. Объем нейтрализатора рассчитывался по методике, разработанной А.А. Мельберт и А.А. Новоселовым. Результаты оценок возможности снижения уровней вредных выбросов указанными дизелями приведены в таблицах 4.5, 4.6, 4.7, 4.8.
Как видно из данных табл. 4.5 применение каталитических нейтрализаторов с пористыми проницаемыми блоками позволило снизить выбросы NOx в 1,87 раза; СХНУ - в 2,75 раза; ТЧ- в 2,76 раза; СО - в 4,54 раза.
Это дает право говорить о том, что при установке каталитических нейтрализаторов на гусеничные машины появилась возможность с 2006 года - года начала действия стандарта ЕВРО-4 использовать возможности регулировки угла опережения начала подачи топлива в целях сокращения выбросов окислов азота до установленных норм ЕВРО-3 без превышения выбросов продуктов неполного сгорания СО, СХНУ и ТЧ. Из данных табл. 4.5 также видно, что без применения нейтрализаторов в будущем придется принимать серьезные меры по снижению как NOx так и продуктов неполного сгорания, а в особенности ТЧ.
Испытаний дизеля УТД-29 с каталитическим нейтрализатором не проводилось, а степени снижения уровней вредных выбросов с отработавшими газами приняты по результатам испытаний дизеля Д20НР-250. Такое допущение было сделано ввиду того, что эти дизели имеют идентичное смесеобразование, идентичную степень форсировки и отличаются лишь числом цилиндров и компоновкой.
Результаты оценки уровней вредных выбросов дизеля УТД-29 приведены в табл. 4.6. Оценочные показатели вредных выбросов без каталитического нейтрализатора приведены по результатам испытаний на стенде.
Как видно из таблицы 4.6, применение каталитических нейтрализаторов с пористыми проницаемыми блоками позволило бы снизить выбросы NOx в 1,877 раза; СХНУ - в 2,75 раза; ТЧ - в 2,76 раза; СО - в 4,54 раза. Это дает право говорить о том, что при установке каталитических нейтрализаторов на гусеничные машины появляется возможность приблизиться к выполнению норм ЕВРО-3 по продуктам неполного сгорания. Для выполнения требований норм ЕВРО-4 по-видимому существует необходимость воспользоваться рекомендациями фирмы AVL - поднять на порядок давление впрыска, сократить объем подигольных колодцев в распылителях, применять ГТН и ОНВ, дефорсировать двигатель по частоте вращения и применять сажевые фильт ры или нейтрализаторы на выпуске.
