Модели и методы регулирования снижения вредных выбросов в дизельном двигателе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Модели и методы регулирования снижения вредных выбросов в дизельном двигателе

Введение

Общая характеристика работы. С каждым годом в РК увеличивается количество автомобильного транспорта и возрастает техногенное воздействие вредных выбросов транспорта на окружающую среду. Более 40% токсичных веществ и сажи поступает в атмосферу с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания, в том числе, в общих выбросах окислы азота (NO_x) составляют - 64%, сажа - 30%. Удельные выбросы дизелей при работе на режимах полной нагрузки достигают: по окислам азота - 10…30 г./(кВт.ч); по твердым частицам, включая сажу - 0,25…2,0 г/(кВт.ч), по окиси углерода 1,5…12,0 г/(кВт.ч), по углеводородам суммарно (С_хН_у) - 1,5…8 г/(кВт.ч). Вместе с тем в Европейском сообществе введен международный стандарт ЕВРО - 4, ограничивающий вредные выбросы дизелей до следующих предельных значений: по NO_x - до 3,5 г/(кВт.ч), по СО - до 1,5 г/(кВт.ч), по твердым частицам до - 0,02 г./(кВт.ч), по С_хН_у - до 0,3 г/(кВт.ч).

Дизелизация транспорта, надежды на которую связывались в ХХI веке, столкнулась с проблемами снижения уровней вредных веществ и в первую очередь с NO_x и сажей. Для уменьшения образования NO_x и сажи в цилиндре двигателя необходимо провести более глубокий анализ механизмов образования окислов азота в условиях, характерных для камер сгорания дизеля.

Актуальность работы. Вредные компоненты отработавших газов дизелей приводят к сложным заболеваниям и являются основным источником образования фотохимического смога в атмосфере. Опасные последствия имеют токсичные компоненты ОГ автомобиля окись углерода (СО), окислы азота (NO_x), сажа и несгоревшие углеводороды (СхНу). Исследования образования вредных веществ и борьба с ними в дизельных двигателях требует понимания основ процессов смесеобразования, самовоспламенения и горения. Эти процессы являются сложными и для детального их изучения требуются большие затраты. Проблеме снижения токсичности и дымности отработавших газов дизелей посвящено множество отечественных и зарубежных научных работ. Большой вклад в изучение вопросов, связанных с повышением экологической безопасности дизелей, внесли ученые: В.Л. Аксенов, В.В. Горбунов, Р.И. Жегалин, В.А. Звонов, К.Б. Ермекбаев, Ж. Сазаев, Р.В. Малов, А.М. Сайкин, В.И. Смайлис и другие. Результатами проведенных ими исследований являются обобщение данных по содержанию в отработавших газах токсичных компонентов и методики расчетов их концентраций в цилиндре дизеля, разработка методов и средств очистки ОГ, математические модели процессов. Для разработки эффективных мер по уменьшению NO_x и сажи необходимо рассмотреть значимость возможных механизмов их образования. Диссертационные исследования выполнены в рамках плана научно-исследовательских работ Алматинского института энергетики и связи (АИЭС), направленных на охрану окружающей среды.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование механизмов образования сажи и оксидов азота, а также создание математических моделей расчета для улучшения экологических характеристик транспортного дизеля. В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

- провести анализ механизмов образования сажи и оксидов азота в условиях, характерных для камеры сгорания дизеля;

- разработать математическую модель для расчета образования оксидов азота в цилиндре дизеля с учетом всех рассмотренных механизмов;

- разработать аналитическую модель расчета каталитического нейтрализатора;

- провести экспериментальные исследования и выполнить проверку адекватности моделей расчета образования NO в дизельном двигателе.

- провести расчетные и экспериментальные исследования возможных направлений уменьшения NO и сажи в современных дизелях.

Основная идея работы. Используя в комплексе механизмы и кинетику образования сажи и NO, а также классические методы математического моделирования и оптимизации, физические методы анализа, известные методы подавления токсичных веществ и экологические методы оценки, разработать рекомендации по снижению вредных веществ сажи и оксидов азота в ОГ перспективных дизелей.

Методы и объект исследования. Методология моделирования процесса образования сажи и оксидов азота при сгорании топлива в цилиндре дизеля представляет собой сочетание расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Для проведения расчетно-теоретических исследований была разработана математическая модель образования сажи и оксидов азота в цилиндре дизеля, базирующаяся на уравнениях термодинамики и основных положениях химической кинематики. Для проверки адекватности разработанной модели проводились экспериментальные исследования. Объектом исследования являлся дизельный двигатель КамАЗ-740.

Научную новизну составляют:

· Результаты анализа механизмов образования сажи и оксидов азота в условиях, характерных для камеры сгорания дизеля и рекомендации для снижения вредных выбросов современных дизелей;

· Теоретическое обоснование необходимости обеспечения гомогенного смесеобразования и сгорания в дизелях, а также использовании альтернативных топлив для перспективных дизельных двигателей;

· Аналитическая модель расчета каталитического нейтрализатора и рекомендации по его проектированию;

· Расчетные и экспериментальные возможности регулирования уменьшения образования сажи и NO в современных дизелях.

Научные положения, выносимые на защиту:

· Методика расчета образования сажи и оксидов азота в условиях, характерных для камеры сгорания дизеля на основе новых механизмов;

· Модель расчета каталитического нейтрализатора и методы регулирования снижения вредных выбросов;

· Расчетные и экспериментальные результаты исследования уменьшения образования сажи и NO в дизельном двигателе.

Практическая ценность. Разработанные математические модели расчета образования сажи и оксидов азота в цилиндре дизеля позволяют глубже понять кинетику рабочего процесса в условиях дизеля. Особое значение использование разработанных моделей имеет при проведении поисковых исследований, направленных на создание перспективных дизелей, где сгорание топлива происходит при низких температурах, например, в дизелях с организацией гомогенного смесеобразования и сгорания или в дизелях, работающих на альтернативных топливах.

Научная значимость работы обеспечена выявлением основных механизмов способствующих образованию вредных выбросов в цилиндре дизелей и научным обоснованием улучшения экологичности транспортных дизелей с использованием каталитического нейтрализатора.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. Результаты обладают необходимой степенью достоверности, так как подтверждаются хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных, и сравнением результатов исследования с другими авторами.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендации обеспечивается использованием известных методик и современных измерительных приборов с оценкой погрешности измерений, а также актами внедрения.

Апробация практических результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований снижения вредных выбросов дизеля использованы в вузах и автотранспортных предприятиях: АО «Казавтотранс» г. Алматы, ТОО «УМС-1» г. Усть-Каменогорск. Материалы диссертации используются в учебном процессе ТарГУ им. М.Х. Дулати и АИЭС.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на международных научно-практических конференциях в КазАТК им. М. Тынышпаева (г. Алматы, 2006 г., 2007 г.), ЮКГУ им. М. Ауезова (Шымкент, 2007 г.), в АИЭС (г. Алматы, 2008 г.), в ТарГУ им. М.Х. Дулати (Тараз, 2009 г.). А также научные статьи опубликованы в журналах, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.

Личный вклад автора. Автором обоснована актуальность работы, модернизирован лабораторный стенд, проведены теоретические и экспериментальные исследования, а также обобщены полученные результаты в виде расчетных уравнений, заключений и рекомендаций.

Структура диссертационной работы в связи с поставленными задачами состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Основная часть

нейтрализатор азот экологический дизель

Во введении дана краткая оценка современного состояния проблемы, обоснование актуальности разрабатываемой темы, сформулированы цель работы и основные задачи, направленные на ее достижения, а также отмечены научная новизна и практическая значимость, полученных результатов, изложенных в диссертации.

В первом разделе диссертации представлен анализ основных направлений, перспектив развития транспортных двигателей и пути улучшения экологических показателей дизеля. Транспортные машины в ХХI веке оснащены в основном дизельными моторами и пока по эффективности и экономичности не уступают другим двигателям. Например, удельная масса дизелей за этот период была снижена почти в 2 раза за счет форсирования их мощности путем повышения частоты коленчатых валов и применения турбонаддува. Однако прогноз на перспективу показывает, что по ряду показателей двигатели внутреннего сгорания (ДВС) не отвечают требованиям двигателей будущего. Дальнейшее повышение габаритной мощности двигателей, улучшение тяговой характеристики, снижение токсичности отработавших газов, уменьшение трудоемкости обслуживания и другие проблемы, решение которых затруднено при использовании только двигателей внутреннего сгорания, требуют интенсивных работ по разработке и внедрению новых типов силовых установок для машин наземного транспорта. Тем не менее, в основном для наземного транспорта сейчас и, очевидно, и до 2030 года будут преимущественно использоваться двигатели внутреннего сгорания. Хотя все современные средства транспорта являются источником загрязнения атмосферы, наиболее интенсивным и чаще других вызывающим загрязнение атмосферы являются автомобильные двигатели, на долю которых, например, в США приходится 20% всей вырабатываемой энергии и 60% загрязнения воздуха. Двигатели внутреннего сгорания сложны по конструкции, что объясняется необходимостью преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, наличием органов газораспределения. С другой стороны, ежегодно возрастающие требования по топливной экономичности, по использованию альтернативных топлив и снижению токсичности отработавших газов (ОГ) требуют поиска новых решений в двигателестроении. За последние три десятилетия развитие карбюраторных двигателей в направлении улучшения процесса сгорания, уменьшения ОГ и повышения механического КПД, включая снижение потерь на газообмен, имело следствием понижения удельного расхода топлива (go) с 312 до 245 г./кВт ч при удовлетворении нормативным требованиям на токсичные выбросы. Совершенствуется управление газодинамическим состоянием заряда и способов его поджигания, повышаются антидетонационные свойства двигателей и октановое число бензинов. Тем не менее все современные бензиновые двигатели требуют дополнительное оборудование для уменьшения токсичности и очистки ОГ. Однако, если не будут найдены необходимые меры по улучшению характеристик бензинового двигателя, то он не будет конкурентоспособен с другими тепловыми двигателями. Наиболее перспективным среди поршневых двигателей являются дизели. Совершенствование дизелей идет уже много десятилетий. Хотя выпуск дизелей возрос, но темпы дизелизации ниже, чем ожидались, т.к. достижение высоких показателей двигателя требует все больше финансовых затрат. Причиной этого является повышение топливной экономичности и жесткие требования по токсичности и дымности отработавших газов дизелей. В настоящее время уже определились характерные направления в развитии современных дизелей и дизелей будущего: расширение применения наддува и охлаждения наддувочного воздуха; использование возрастающих возможностей электроники в системах управления двигателем; создание экологичного «адиабатного» турбокомпаундного дизеля.

Важными являются вопросы по использованию альтернативного топлива, керамических материалов и нейтрализаторов в современных дизелях. За последние 10-15 лет средний удельный эффективный расход топлива (g₀) снизился примерно на 15% для дизелей грузовых автомобилей и составил 200 г./кВт ч. В основном эти результаты достигнуты благодаря незначительным изменениям конструкции, широкому применению турбонаддува и охлаждения воздуха на впуске.

Многие ученые и конструкторы в настоящее время ведут работы по созданию перспективного дизеля. Причем идея очень простая: максимальное использование энергии отработавших газов (т.е. компаундирование), приближение процесса к адиабатному (т.е. исключение теплообмена между газами и стенками цилиндров) и внедрение каталитических нейтрализаторов. Реализация последней в практике двигателестроения оказалось гораздо сложнее. Необходимо более глубокое изучение механизмов процесса горения и образования сажи и окислов азота. Рассмотрим причины образования вредных компонентов ОГ. Реакции сгорания углеводородов в камере сгорания являются весьма сложными. Известно, что реакции сгорания углеводородов относится к типу цепных реакций с разветвлениями, при которых важное значение имеют цепи, образуемые от основной цепи. Характер протекания реакции зависит от температуры и давления в камере сгорания, от способа образования рабочей смеси и способа ее воспламенения.

Несмотря на большое число проведенных исследовательских работ, до настоящего времени не удалось досконально изучить процесс протекания реакции окисления СО, имеющие особенно важное значение в процессе сгорания. Окись углерода не является единственным продуктом первичного окисления. Одновременно с СО образуется ацетилен. Процесс образования С₂Н₂, наблюдаемый также при многоступенчатом сгорании сильно обедненных смесей, создает условие для выделения свободного углерода, а затем появление дыма и частиц сажи.

При сгорании смеси с избытком топлива активные радикалы вызывают процесс полимеризации, ведущие к образованию групп углеводородов, которые под действием температуры разлагаются на, углерод в виде графита и водород. Ацетилен является последним продуктом, который образуется перед выделением углерода. Некоторые авторы считают, что единственной причиной дымления является механическое воздействие ударной волны, прерывающий слой топлива на стенках камеры сгорания и вызывающей его разложение. Образование углерода, выделяемого в виде сажи, происходит также при неравномерном распределении топлива в камере сгорания. В этом случае в определенных зонах камеры сгорания может образоваться смесь с недостатком кислорода, что приводит к расщеплению топлива и появлению свободного углерода. Важное значение для процесса образования СО и углерода имеет структура углеводородов, входящих в состав топлива. Склонность ароматических углеводородов к выделению сажи в 6,2… 15,7 раза больше, чем у олифиновых углеводородов. На количество углеводородов, выбрасываемых двигателем, оказывают существенное влияние факторы: влияющие на количество несгоревших углеводородов в камере сгорания и влияющие на количество углеводородов, выделяемых с отработавшими газами.

Особый интерес представляет собой данные об удельной стоимости отдельных мероприятий по снижению вредных выбросов дизелей, с отработавшими газами, собранные автором из различных источников и представленных графически на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Эффективность и стоимость мероприятий по снижению выбросов NO_X и сажи дизелями

Здесь кривая 11 - относится к оксидам азота, а кривая 10- к твердым частицам. Цифрами 1…9 отмечены поля разброса стоимостей и снижения выбросов в процентах при этом: 1 - подбор сортов топлива; 2 - регулировки топливной аппаратуры; 3 - дефорсирование дизелей по среднему эффективному давлению; 4 - организация рабочего процесса за счет улучшения смесеобразования; 5 - повышение давления впрыска топлива; 6 - применение насос-форсунок с электрогидравлическим приводом; 7 - применение аккумуляторных топливных насосов; 8 - применение сажевых фильтров; 9 - применение каталитических нейтрализаторов. В результате анализа конструктивных элементов каталитических нейтрализаторов был сделан вывод о том, что к настоящему времени сформирована основная концепция устройств, обеспечивающих нейтрализацию отработавших газов. Комплекс элементов, обеспечивающих функционирование устройств для каталитической очистки ОГ включает в себя, как минимум, следующие элементы: сажеуловитель, устройства для улавливания оксидов азота, устройства для подогрева отработавших газов на режимах малых нагрузок и холостого хода, блоки с катализаторами для окисления продуктов неполного сгорания, устройства для улавливания излишнего кислорода из состава ОГ для дизелей перед восстановлением окислов азота, блоки с катализаторами для восстановления окислов азота, системы регулирования подогрева и подачи газов в зоны реакций, системы регенерации, тепловой изоляции и сигнализации исправности нейтрализаторов. Каталитические нейтрализаторы используемые в настоящее время в качестве технических средств снижения токсичности ОГ ДВС отвечают не в полной мере требованиям по тепловым и гидравлическим характеристикам.

Как показывает анализ научной литературы и практика недостатками применяемых технических средств для дизелей в большинстве случаев являются сложная конструкция и высокая стоимость, большое газодинамическое (гидравлическое) сопротивление и снижение их эффективности из-за плохого тепломассообмена.

Выполнение жестких норм по токсичности («Euro-4» и «Еuro-5») дизельными двигателями в основном возможно только при одновременном применении двух и более средств на одном двигателе, т.е. внедрении комплексных систем очистки ОГ. На данном этапе недостаточно исследованы вопросы, связанные с моделированием рабочих процессов в средствах очистки ОГ при одновременном использовании нескольких методов, их оптимизацией и оптимальным управлением. Это обстоятельство диктует необходимость проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в данной области.

Во втором разделе приводятся теоретические основы образования токсичных компонентов в цилиндре дизеля и создание математической модели. На основании анализа и расчетно-теоретического исследования был выявлен механизм реакций, наиболее полно описывающий процесс образования оксида азота в условиях сгорания в дизеле. Образование оксидов азота не является результатом процесса сгорания, а количество их выхода зависит от температуры процесса, окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания, т.е. после завершения окислительных реакций. Выход оксидов азота далее зависит от скорости охлаждения или «закалки» продуктов сгорания.

При математическом моделировании процесса сгорания и образования оксидов азота в цилиндре дизеля с использованием двухзонной модели объем цилиндра условно разделяют на две зоны: зону свежей смеси и зону продуктов сгорания. Зона свежей смеси представляет собой смесь остаточных газов с воздухом, поступившим в цилиндр при наполнении. В ходе сгорания, протекающего с локальным коэффициентом избытка воздуха бг, происходит увеличение зоны продуктов сгорания. При этом предполагается отсутствие тепломассообмена между зонами, а также однородность по температуре и составу зоны продуктов сгорания на каждом участке времени. При расчете температур в зоне продуктов сгорания учитываются потери тепла вследствие диссоциации и неполного сгорания. Для расчета процесса образования NO концентрации атомарного кислорода О и азота N определяются из условия равновесия компонентов на каждом шаге расчета. Определение давлений, средних температур газа в цилиндре, в зоне продуктов сгорания и свежей смеси осуществляется при помощи системы из четырех уравнений:

ДQ_i = ДU + ДL; (1)

pV = MRT; (2)

H_см (Т) * М_см + Н_nc (Т) * М_{nc =} Н_nc (Т_nc)) *М_nc + H_см (Т_см) * М_см; (3)

Т_см = Т_нг *; (4)

где М_см и М_пс - масса свежей смеси и продуктов сгорания соответственно, Н _см и Н_пс - энтальпия в зоне свежей смеси и продуктов сгорания, Т_{см -} температура свежей смеси, р_нг и Т_нг - температура в цилиндре дизеля на момент начала горения, k - показатель политропы сжатия.

Количество подведенной к рабочему телу теплоты вычисляется по уравнению:

ДQ_i =ДQ - ДQ_w -ДQ_дис, (5)

где теплота, выделившаяся на участке расчета при сгорании доли топлива Дх:

ДQ = Н_u * В * Дх, (6)

Общие потери теплоты на диссоциацию к концу участка расчета:

Q_дис = М_nc х (Q_{СО *} r_CO + Q_H2 + r _H2 + Q_{OH *} r_OH). (7)

Уточненное значение потерь теплоты на диссоциацию на участке расчета:

ДQ_дис = Q_дис2 - Q_дис1; (8)

где Q_дис1 - общие потери теплоты на диссоциацию к началу участка расчета.

Изменение внутренней энергии:

ДU = Д (М * С_VМ * Т) = М; (9)

Работа, совершаемая газом, определяется по уравнению:

ДL= * ДV; (10)

Температура продуктов сгорания рассчитывается исходя из уравнения

Т_nc = ; (11)

где А и В-коэффициенты уравнения для энтальпии продуктов сгорания вида

Н(Т) = А * Т² + В * Т + С

(коэффициенты А, В и С определяются в результате специальных расчетов, в данном случае: А = 9,65998 *10^-4; В = 35,4882+0,0472833 * Р).

При выборе этих коэффициентов также учитывалось влияние изменения состава продуктов сгорания вследствие диссоциации при различных температурах; r_nc - доля «чистых» продуктов сгорания вследствие:

r_nc = ; (12)

Для определения NO рассчитывается объемная доля оксидов азота (r_NOобр) в продуктах сгорания, образовавшихся на участке расчета (ДМ_пс), и изменение доли оксидов азота (Дr_NO) в основной зоне продуктов сгорания (М_пс).

Общее количество NO в зоне продуктов сгорания определяется по формуле:

r_{NO =} ; (13)

Расчеты, проведенные при использовании разработанной математической модели показали, что наиболее перспективным направлением снижения выбросов оксидов азота в дизелях является организация гомогенного процесса смесеобразования и сгорания. На основе численных экспериментов, проведенных в условиях, при которых образуется основной процент NО в дизеле (Т=2400-2800 К, б=0,8-1,2, Р=6-10 МПа, =4 мс (ц=24°пкв при n=1000 мин^-1)), был выполнен анализ образования оксидов азота по «термическому», «быстрому» и «N₂0» механизмам. В результате было установлено, что основная часть NО образуется в продуктах сгорания по «термическому» механизму Я.Б. Зельдовича. Формирование «быстрых» NО происходит в зоне горения на очень коротком отрезке времени <10-50 мкс, когда в смеси присутствуют радикалы СН, играющие основную роль в данном механизме. Вкладом механизма «N₂O» в условиях дизеля можно пренебречь.

Дана количественная оценка выхода «быстрых» оксидов азота для современного дизеля. Показано, что их образование очень слабо зависит от режима работы и воздействий на рабочий процесс, а концентрация в отработавших газах на выходе из дизеля находится в диапазоне 100-160 ррm.

Для описания кинетики образования «быстрых» NО при сгорании углеводородных топлив была разработана методика составления детальных кинетических механизмов горения сложных углеводородов. С ее помощью были составлены кинетические механизмы образования оксидов азота при сгорании дизельного топлива и диметилового эфира.

Проведен анализ факторов эксперимента, влияющих на точность расчетов NO при оценке адекватности математической модели образования оксидов азота. Показано, что при проведении идентификации модели особое внимание необходимо уделить точности определения степени сжатия двигателя, поскольку ошибка определения данного параметра на 5% может привести к неточности вычисления NO до 20%.

Проведена проверка адекватности разработанной математической модели путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных, полученных при проведении стендовых исследований дизелей, работающих как на традиционном дизельном топливе, так и на диметиловом эфире. Расхождение расчетных концентраций NO с экспериментальными не превышает 10%.

Расчеты, проведенные при использовании разработанной математической модели, показали, что наиболее перспективным направлением снижения выбросов оксидов азота в дизелях является организация гомогенного процесса смесеобразования и сгорания. При обеднении топливовоздушной смеси уменьшение образования оксидов азота по «термическому» механизму происходит из-за снижения температуры в зоне продуктов сгорания, а «быстрых» - из-за снижения концентрации и времени существования радикалов СН. Выход «быстрых» NO уменьшается не так сильно, поэтому их относительный вклад увеличивается, а при б=1,8 - является определяющим. Для дальнейшего уменьшения образования «быстрых» NO в гомогенных дизелях необходимо использовать альтернативные топлива с меньшим числом атомов углерода в молекуле, так как при их сгорании уменьшается выход радикалов СН. Например, при сгорании диметилового эфира в цилиндре дизеля при б=1,8 оксидов азота образуется в 4 раза меньше, чем при сгорании дизельного топлива.

В третьем разделе описывается моделирование процессов протекающих в каталитическом нейтрализаторе. Для анализа были выбраны широко применяемые на практике нейтрализаторы с параллельным расположением проточных каналов и каталитического слоя. Поэтому в задаче по оценке гидравлических потерь аэродинамика играет ведущую роль, так как от правильной организации её зависит функциональная эффективность аппарата. А также явления тепломассообмена с химическими превращениями находятся в прямой зависимости от распределения реагента по фильтрационному слою. При неудачной раздаче газа по каталитическому слою одна часть последнего не будет «работать» ввиду отсутствия фильтрации реагирующей смеси, а другая, наоборот, будет перегружена и не сумеет полностью нейтрализовать ОГ, протекающие с повышенные скоростями.

Задача состоит в том, чтобы найти распределение газа по каталитическому слою в зависимости от геометрии устройства, схемы ввода и вывода газов из аппарата, тепломассообмена в слое и на поверхностях контакта с окружающей средой. Наличие такой математической модели и на основе его созданный приближенный метод инженерного расчета автомобильного нейтрализатора позволяет указать наиболее приемлемые условия работы конкретного аппарата и вести управление выбросами вредных веществ. В аэродинамическом отношении он базируется на представлениях неизотермичности процессов, а в термохимическом - на теории равнодоступной поверхности, применительно к нейтрализации ОГ в неподвижном зернистом слое. В диссертации рассмотрен стационарный режим работы нейтрализатора, представляющего собой три коаксиальные трубы. Стенки внутренней - радиуса r₁ и средней - радиуса r₂ перфорированы, полость между ними заполнена зернистым катализатором. Ввиду того, что конец внутренней L_Н заглушен, весь поступающий поток газа фильтруется через зернистый слой катализатора, попадает в кольцевой зазор (между трубами r₂ и r₃) и выбрасывается в атмосферу. Движение газа в проточных каналах описывается уравнениями Навье-Стокса, сопротивление же зернистого слоя - законом Дарси.

В результате получим искомое уравнение движение газа в радиальном нейтрализаторе при наличии тепловыделения:

(15)

где дополнительно к введенным ранее коэффициентам А, В, З(х), З₁(х), ш₁(х), ш₂(х), К_1, D, E имеются следующие коэффициенты:

 (16)

В коэффициенты уравнения движения (15), описывающего неизотермическое движение газа в нейтрализаторе, входят значения температур. Следовательно, решение этого уравнения должно проводиться совместно с уравнениями тепломассообмена в нейтрализаторе. Уравнения тепломассообмена в радиальном нейтрализаторе содержат кондуктивные и конвективные составляющие переноса массы и тепла, а также источниковые члены, характеризующие химические превращения: сток реагирующего вещества и выделенные тепла в результате экзотермической химической реакции в объеме каталитического слоя (на примере окисления СО).

Таким образом, исследуется установившееся течение вязкого сжимаемого газа с тепловыделением в результате химической реакции, протекающей во внешнедиффузионной области:

(17)

Задача решается при следующих граничных условиях:

,

В четвертом разделе описывается проверка адекватности разработанной математической модели путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных, полученных при проведении стендовых исследований в лаборатории тепловых двигателей АИЭС Мусабековым Р.А. на дизельном двигателе. Объектом экспериментального исследования является транспортный двигатель Камского объединения большегрузных автомобилей КамАЗ-740. Общий вид экспериментальной установки приведен на рис. 2. Цифровое устройство для измерения момента вращения создано на базе аналогово-цифровой преобразовательной системы аdи-100, основным узлом которого является датчик с прибором для преобразования непрерывных величин в дискретные и управления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. Общий вид испытательного стенда. 1 - дизельный двигатель; 2 - испаритель; 3 - нагрузочное устройство

Устройство цифрового измерения числа оборотов состоит из импульсного датчика, счетчика и внешней индикации. Для определения содержания окиси углерода и также кислорода, азота, водорода и метана в отработавших газах применялся аналитический газовый хроматограф с цифровым заданием режима серии «ЦВЕТ-500» (Рис. 3). В качестве адсорбента применялись молекулярные сита (цеолиты) типа NaX, использовался детектор по теплопроводности (ДТП).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3. Приборы для определения токсичности, дымности отработавших газов двигателя 1 - дымомер "Хартридж"; 2 - газоанализатор "Бекман"; 3,4 - газо-анализаторы "Инфралит-1100 и 2200"; 5 - хроматограф "ЦВЕТ-500"

Определение концентрации окислов азота в отработавших газах производился посредством измерения суммы NО+NО₂, обозначаемой NO₂, хемилюминесцентным методом с помощью газоанализатора непрерывного действия «Бекман - 951». (Рис. 3, поз. 2). При анализе NО_х проба до входа в реакционную камеру пропускается через конвектор, в котором NO₂ переводится в NО. Показание прибора в этом случае пропорционально сумме первоначально присутствовавшего NО плюс NО, образовавшегося из NО₂.

Оценку дымности отработавших газов производили по принципу оптического измерения их прозрачности. Принятые у нас ГОСТы устанавливают нормируемый параметр дымности - «оптическая плотность отработавших газов» и используют приборы, работающие по методу просвечивания.

В наших экспериментах измерения дымности ОГ производились с помощью дымомера фирмы «Хартридж» (Англия) модели HR150 (Рис. 3, поз. 1), работающего по методу просвечивания столба газа.

Для определения окисей углерода (СО и CО2) применялись газоанализаторы непрерывного действия «Инфралит - 2200», работающий по принципу инфракрасной абсорбции (Рис. 3, поз. 3 и 4).

Давление газов в цилиндре двигателя измерялось при помощи пьезокварцевого датчика типа IAE - 105 производства фирмы AVL (Австрия).

Рисунок 4. Характеристики дизеля

Для установления влияния количества гомогенизации топлива на показатели рабочего процесса двигателя и определения его доли были сняты характеристики двигателя при различных расходах испаренного топлива. При этом его количество изменялось от «О» до 20,5 кг/ч (q=0-57%) для двигателя КамАЗ-740. Снижение выбросов окислов азота и дымности при увеличении от» 0» до 20% связано с уменьшением задержки воспламенения и обусловлено уменьшением расхода топлива. Дальнейшее увеличение гомогенизации топлива приводит к еще более раннему воспламенению и, следовательно, сгоранию вблизи верхней мертвой точки и увеличению жесткости сгорания, что вызовет возрастание выбросов окислов азота. Дымность отработавших газов немного увеличится, т.к. при сильном снижении задержки воспламенения (ф<0,9 мс) ухудшается процесс смесеобразования.

На рис. 4 приведены полученные на стенде нагрузочные характеристики двигателя КамАЗ-740 (для n = 1800 об/мин). Когда температура отработавших газов становится больше 400°С, показатели двигателя увеличиваются. Это означает, что в испарителе происходит полное испарение. Дымность отработавших газов снижается в среднем на 15-20 единиц по Хартриджу (на 30%), а удельный расход топлива на 3-8 г./л.с. ч. Увеличение окислов азота связано перемещением воспламенения к верхней мертвой точке и ростом максимальной концентрации двуокиси углерода указывает на более полное сгорание топлива. Улучшение показателей и на малых нагрузках объясняется тем, что расход добавочного топлива низкий (14-15%) и оно испаряется полностью при температуре 300-350°С. В целом снижение дымности достигает 30%, мощность увеличивается на 5%, температура газов уменьшается на 25-35°С. Таким образом, экспериментально показано возможность улучшения экологических показателей дизеля за счет регулирования гомогенизации топлива.

Пятый раздел работы посвящен эколого-экономической оценке эффективности разработанных средств снижения вредных выбросов. Экологическая составляющая экономического эффекта от внедрения мероприятий по снижению эмиссии твердых частиц и оксидов азота включает в себя экономический и социальный аспекты. Первый аспект характеризуется снижением отрицательного воздействия на окружающую среду, улучшением ее состояния, уменьшением уровня загрязнения, увеличением количества и улучшением качества пригодных к использованию земельных, лесных и полевых ресурсов. Второй - повышением уровня жизни населения, улучшением физического развития населения и условий труда и отдыха, сокращением заболеваемости, увеличением продолжительности жизни и периода активной деятельности, сохранением природных и антропогенных ландшафтов, памятников природы. Экономический эффект от применения средств снижения токсичных веществ на автотранспортных дизелях определяется снижением отрицательного воздействия на окружающую среду (уменьшением уровня загрязнения) и улучшением ее состояния.

Оценить степень отрицательного воздействия дизельного двигателя на окружающую среду можно просчитав величину ущерба, причиняемого вредными выбросами ОГ дизеля: , где г = 2,4 тг/усл. т - размерный коэффициент;

у - показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха: значение у установлено равным 8 в загородных зонах и 0,1 п_Н в городах при плотности населения п_Н человек/га; f - коэффициент, учитывающий характер рассеяния примесей в атмосфере (в общем случае определяется многими факторами: высотой источника рассеивания, температурным градиентом, скоростью ветра, но для выбросов аэрозолей автотранспортными средствами его рекомендуется принимать равным 10);

М - приведенная масса выброса в атмосферу загрязнений от сжигания топлива, у.т/кг топлива. , где A_i - показатель относительной агрессивности загрязнения i-го компонента, (Асо=1; A_NOx=41,1; Ас_диз=200); п - количество загрязняющих веществ, учитываемых при расчете; - удельный выброс i-гo загрязнения, г/кг топлива. Таким образом, величина ущерба при сжигании 1 кг топлива рассчитывается по формуле:

(тг/авто. год),

где С = - для принятых значений, тг/усл. т; M_i = (А_i е_i) 10^-6-приведенный удельный выброс вредного компонента по данным i-гo источника, кг/т топлива (Среднее значение е_i по СО составляет 16,6, а по NOх-30 и по твердым частицам 5,2 соответственно).

Показатели зависят от состояния экономики страны г, типа загрязняемой территории у, вида установки, использующей ДВС f и других факторов. Автомобильный дизель в обычных условиях выбрасывает сажи в среднем 0,3…0,5% на единицу израсходованного топлива. Для дизеля КамАЗ, работающего в тяжелых условиях, примем величину 0,45%, т.е. 4,5 кг/т.

Как показали результаты исследований, после установки на двигатель нейтрализатора выбросы вредных компонентов ОГ в среднем удалось снизить сажевые частицы - на 70…80%, NO_x - на 50…60%, CO - 50…55%. на 80%, поэтому сумма экологического ущерба была уменьшена и составила: Э_СФ= 50500 тг. на один автомобиль в год.

Заключение

нейтрализатор азот экологический дизель

1. Дизелизация транспорта надежды на которую связывались в ХХI веке, столкнулись с проблемами снижения NO_x и сажи. Результаты изучения механизмов образования сажи и оксидов азота в условиях, характерных для камер сгорания дизеля показали возможные пути снижения их в перспективных двигателях. Для самых жестких требований обязательным является установление каталитических нейтрализаторов.

2. Разработаны математические модели образования оксидов азота и сажи в дизеле с учетом разных механизмов для исследования перспективных рабочих процессов.

3. Аналитические исследования показали, что для создания перспективных дизелей необходима гомогенизация смесеобразования и сгорания при низких температурах, а также необходимо использование альтернативных топлив.

4. Проведены исследования по образованию и выгоранию сажи в цилиндре двигателя. Причем снижение образования NO_x приводит к увеличению выхода сажи и наоборот. И только установление каталитического нейтрализатора приводит к значительному снижению обеих компонентов вредных выбросов дизеля.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали эффективность предлагаемых рекомендаций и методов. Для дизельных двигателей вредные выбросы могут быть уменьшены: по NO_x - до 3,0 г/кВт ч и саже до 0,02 г./кВт ч, что удовлетворят требованиям международного стандарта Евро-5.

6. Разработана математическая модель, описывающая закономерности движения и тепломассообмена в нейтрализаторе, которая обеспечить выбор эффективного управления рабочим процессом.

7. Проведен вычислительный эксперимент, который позволил выявить все особенности технологического процесса в нейтрализаторе и оптимальные размеры конструкции.

8. Годовой экономический эффект от применения нейтрализатора для снижения вредных выбросов составит 50500 тенге на один дизель.

Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленные задачи в диссертации полностью решены, цель работы направленная на улучшение экологических показателей дизельного двигателя достигнута. Использование результатов диссертационной работы для снижения вредных выбросов в дизельном двигателе научно обосновано и позволит снизить сажевые частицы - на 70…80%, NO_x - на 50…60%, CO - 50…55%.

Рекомендации по использованию результатов исследований. Результаты работы можно использовать в автопредприятиях, где применяются дизельные двигатели. Отдельные разделы диссертации могут быть использованы в высших учебных заведениях при преподавании дисциплин: инженерная экология, энергетические установки транспортных средств, тепловые двигатели и др. Полученные в диссертационной работе результаты могут быть также рекомендованы для решения экологических вопросов в предприятиях, использующие дизельные двигатели.

Технико-экономическая оценка эффективности внедрения. Внедрение результатов исследования в автотранспортных предприятиях даст существенное снижение выбросов вредных веществ в атмосферу дизельными двигателями. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения результатов диссертаций по снижению токсичности дизеля составляет 50500 тенге на 1 двигатель.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Все экспериментальные исследования выполнены на современном научно-техническом уровне с использованием чувствительных приборов, а математические модели использованы впервые. Данная работа по своему научному уровню соответствует лучшим достижениям в данной области, содержит хорошую теоретическую основу, лабораторные и промышленные эксперименты.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1 Байпакбаев Т.С. Анализ факторов влияющих на токсичность расчетов выбросов оксидов азота. - Вестник КазНТУ им. К. Сатпаева, 2008, №5 (68), с. 71-74.

2 Байпакбаев Т.С. Разработка средств снижения токсичности и дымности дизелей. - Вестник КазНТУ им. К. Сатпаева, 2008, №4 (67), с. 9-12.

3 Байпакбаев Т.С. К вопросу расчета концентрации окиси азота в камере сгорания дизеля. - Промышленный транспорт Казахстана, 2008, №3 (18), с. 60-63.

4 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М. Токсичные компоненты в отработавших газах дизелей // Материалы 4-й МНПК «Транспорт Евразии ХХI», КазАТК им. Тынышбаева, Алматы, 2006 г., том 5, с. 210. - 212.

5 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М., Мусабеков Р.А. Экспериментальный стенд для исследования дизелей на токсичность и методика измерений. - Вестник ТарГу им. Х. Дулати, Тараз, 2007 г., №1, с. 207-211

6 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М. К вопросу использования рециркуляции отработавших газов в дизелях для снижения выбросов NO. - Вестник КазАТК им. М. Тынышпаева, Алматы, 2007 г., №4, с. 248-251.

7 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров.А.М., Мусабеков Р.А. Снижение токсичности дизелей за счет двухфазной подачи топлива. // Вестник ТарГУ им. Х. Дулати «Природопользование и проблемы антропосферы», Тараз, 2007, №1, с. 165-167.

8 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М. Экспериментальные результаты исследования дымности отработавших газов дизеля. // Труды университета, КарГТУ, Караганда, 2007, №3, с. 80-81.

9 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М., Мусабеков Р.А. Экспериментальные результаты исследования экологических показателей дизеля при двухфазной подаче топлива. - Наука и образования Южного-Казахстана, Шымкент, №3 (62), 2007 г., с. 168-171.

10 Байпакбаев Т.С. Перспективные направления по созданию малотоксичных дизелей. - Вестник КазАТК, 2008, №3, с. 50-54.

11 Байпакбаев Т.С., Усеров А.М. Анализ механизмов образования токсичных компонентов в дизельном двигателе. // В материалах МНПК «VI Дулатовские чтения», Тараз, ТарГУ им. Дулати, 15-16 октября 2009, с. 17-21.

12 Байпакбаев Т.С., Мусабеков Р.А., Достияров А.М. Механизмы образования сажи в дизельных двигателях. // В материалах МНПК «VI Дулатовские чтения», Тараз, ТарГУ им. Дулати, 15-16 октября 2009, с. 97-99.

13 Байпакбаев Т.С., Достияров А.М. Образование вредных веществ в отработавших газах дизельного двигателя. // В материалах МНПК «Экологические проблемы Каспийского региона и пути его решения», Актау, КГУТИ им. Ш. Есенова, октябрь, 2009, с. 135-139.

Размещено на Allbest.ru

...