Зменшення димності відпрацьованих газів великовантажних дизельних автомобілів застосуванням у випускній системі каталітичних нейтралізаторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

УДК 629.351:621.436.068.4

ЗМЕНШЕННЯ ДИМНОСТІ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ ВЕЛИКОВАНТАЖНИХ ДИЗЕЛЬНИХ АВТОМОБІЛІВ ЗАСТОСУВАННЯМ У ВИПУСКНІЙ СИСТЕМІ КАТАЛІТИЧНИХ НЕЙТРАЛІЗАТОРІВ

05.22.02 - автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дунь Сергій Вікторович

Львів - 2002



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Кременчуцькому державному політехнічному університеті Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Шапко Володимир Федорович, Кременчуцький державний політехнічний університет, доцент кафедри “Автомобілі і трактори”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гащук Петро Миколайович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки”;

кандидат технічних наук, доцент Гутаревич Сергій Юрійович, Державний науково-дослідний і проектний інститут автомобільного транспорту (м. Київ), завідувач відділу.

Провідна установа: Харківський національний автомобільно-дорожній технічний університет, кафедра “Автомобілі”, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться 23 жовтня 2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226, гол. корп.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м. Львів-13, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий 9 вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є.Ю.



АНОТАЦІЯ

Дунь С. В. Зменшення димності відпрацьованих газів великовантажних дизельних автомобілів застосуванням у випускній системі каталітичних нейтралізаторів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.02 - автомобілі та трактори. Національний університет “Львівська політехніка”. - Львів, 2002.

Робота містить аналіз методів зменшення димності відпрацьованих газів дизельних автомобілів, методик визначення та розрахунку нормованих параметрів; визначення характерних режимів роботи дизельних автомобілів; теоретичні дослідження газодинамічних процесів в каталітичному нейтралізаторі; визначення оптимальних швидкостей руху газів в каналах каталітичного блока, які забезпечують каталіз та самоочистку блока від сажових відкладень; експериментальні дослідження впливу платинового каталітичного нейтралізатора на димність відпрацьованих газів; визначення впливу окиснення часток сажі на ступінь очистки газів від оксиду вуглецю; узагальнення залежностей, які визначають зменшення димності відпрацьованих газів з розробкою алгоритмів розрахунку величини димності газів та викидів твердих часток великовантажними дизельними автомобілями, обладнаними каталітичними нейтралізаторами.

Ключові слова: дизельний автомобіль, відпрацьовані гази, димність, частинки сажі, оксид вуглецю, каталітичний нейтралізатор, ступінь очищення. дизельний автомобіль каталітичний



SUMMARY

Dun S.W. Reduction of the smoke opacity of heavy-duty diesel automobiles by using the exhaust system catalytic exhaust-cleaners. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.22.02 - automobiles and tractors. - National University “Lvivska Polytechnica”. - Lviv, 2002.

The work contains the analysis of methods of reduction of the smoke opacity of diesel automobiles, techniques of definition and account of rationed parameters; definition of characteristic modes of operations of diesel automobiles; theoretical researches of gasdynamic processes in catalytic exhaust-cleaner; definition of optimum speeds of movementof gasses in channels of the catalytic block, which provide a catalysis and self-cleaning of the block from soot deposits; experimental researches of influence of platinum catalytic exhaust-cleaner on the smoke opacity; definition of influence of oxidation of soot particles on a degree of cleaning of gasses from carbon monoxide; generalization of the dependences determining reduction of the smoke opacity with development of algorithm of calculation of size of the smoke opacity and emissions of solid particles by heavy-duty diesel automobiles, equipped with catalytic exhaust-cleaners.

Key words: diesel automobile, exhaust gasses, smoke opacity, soot particles, carbooxid, catalytic exhaust-cleaner, degree of cleaning.



АННОТАЦИЯ

Дунь С. В. Снижение дымности отработавших газов большегрузных дизельных автомобилей применением в выпускной системе каталитических нейтрализаторов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.02 - автомобили и тракторы. Национальный университет “Львивська политэхника”. - Львов, 2002.

В связи с вредным влиянием отработавших газов (ОГ) автомобилей на человека и окружающую среду и требованиями нормативно-технических документов (НТД) по содержанию вредных веществ в ОГ, широкое распространение находит использование в выпускной системе автомобилей различных устройств, в том числе каталитических нейтрализаторов (КН). Использование окислительных КН на дизельных автомобилях снижает содержание оксида углерода (СО) в ОГ, а также наблюдается снижение дымности ОГ. На практике целесообразно совместно использовать эти функции КН. Однако применение КН на дизельных автомобилях сдерживается такими факторами - недостаточным изучением процессов, протекающих в КН; необходимостью определения оптимальной конструкции КН экспериментальным путем; проблемой загрязнения катализатора сажей и золой; отсутствием методик по расчету вредных выбросов дизельными автомобилями, оснащенными КН. Поэтому актуальным является исследование влияния окислительных КН на дымность ОГ.

Цель работы - снижение дымности ОГ большегрузных дизельных автомобилей применением в выпускной системе КН. Для достижения этой цели были определены следующие задачи - анализ дымности ОГ, методов снижения дымности; анализ режимов работы большегрузных дизельных автомобилей и НТД, регламентирующих снижение дымности ОГ; проведение теоретических исследований процессов, протекающих в КН; проведение экспериментальных исследований влияния КН на дымность ОГ; разработка алгоритмов расчетов дымности ОГ и удельных выбросов твердых частиц с ОГ дизельных автомобилей, оснащенных КН.

Научная новизна - нашло дальнейшее развитие исследование процессов снижения дымности ОГ при использовании КН во взаимосвязи с очисткой ОГ от оксида углерода; впервые введен оценочный критерий в виде коэффициента фактической степени очистки ОГ дизельного автомобиля от оксида углерода в зависисмости от степени снижения дымности.

Результаты исследований нашли практическое применение в разработанных методах расчетов дымности ОГ и удельных выбросов твердых частиц с ОГ дизельных автомобилей, оснащенных КН, которые основываются на испытательных циклах согласно действующих НТД.

В первом разделе проведено анализ дымности ОГ автомобилей, что определяется наличием в них сажевых частиц, которые являются носителями вредных веществ. Проведено анализ существующих методов снижения дымности ОГ и определена целесообразность применения платиновых КН для снижения дымности ОГ.

Во втором разделе проведен анализ режимов работы большегрузных дизельных автомобилей в эксплуатации и испытательных циклов согласно НТД, регламентирующих дымность ОГ и выбросы твердых частиц. Это позволило целесообразно определить режимы работы двигателя при проведении экспериментальных исследований.

В третьем разделе проведены теоретические исследования процессов, которые протекают в КН. Рассмотрены газодинамические характеристики потока ОГ в КН с учетом аккустических колебаний газовой среды. Определены оптимальные скорости движения ОГ по условиям обеспечения очистки газов и самоочистки катализатора от сажевых отложений под действием скоростного напора газов. Также определена степень влияния окисления частиц сажи при взаимодействи с катализатором на очистку газов от оксида углерода.

В четвертом разделе приведены результаты лабораторных исследований сажи из выпускной системы автомобилей КрАЗ, определены ее свойства. Были проведены экспериментальные исследования на моторном стенде платинового КН, изготовленного на металлической основе. Определены зависимости по снижению дымности ОГ и концентрации в них оксида углерода. Очистка зависит от скорости движения ОГ, размеров и активности каталитического блока. Был проведен эксперимент с использованием сажевого фильтра перед катализатором. При использовании сажевого фильтра очистка газов от оксида углерода повышается на 25-30 %, что подтверждает теоретические исследования.

В пятом разделе проведено обобщение результатов исследований. Определены аналитические зависимости снижения дымности ОГ. Эти зависимости нашли применение в алгоритмах расчета дымности ОГ и удельных выбросов твердых частиц, которые основываются на методиках расчетов согласно НТД. Предложенные расчеты могут быть использованы на стадии проектирования КН для большегрузных дизельных автомобилей.

По результатам проведенных исследований можно сделать выводы - применение платинового КН снижает дымность ОГ дизельных автомобилей на величину до 30 %; снижение дымности происходит в результате окисления частиц сажи в КН; степень очистки газов зависит от скорости их движения, концентрации сажи в ОГ, размеров и активности катализатора; результаты исследований можно использовать в алгоритмах расчетов дымности ОГ и удельных выбросов твердых частиц; результаты исследований можно распространить на различные типы окислительных КН.

Ключевые слова: дизельный автомобиль, отработавшие газы, дымность, частицы сажи, оксид углерода, каталитический нейтрализатор, степень очистки.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення і виробництво конкурентноздатних моделей автомобілів відповідають прагненню України досягти рівня розвитку передових країн світу та її входженню рівноправним членом в Європейське співтовариство. В сучасних умовах перед державою стоїть безліч соціальних, економічних, технічних та екологічних проблем, які вимагають комплексного розв'язання. Якщо ідеться про автомобільний транспорт, то спочатку необхідно розглядати проблеми, які стосуються досконалості конструкції автомобілів та їх експлуатаційних властивостей. Однією з характеристик автомобіля, яка визначає його технічний рівень, є ступінь впливу його на природне довкілля, зокрема шкідливих речовин, які викидаються з відпрацьованими газами (ВГ) двигунів в атмосферу.

У зв'язку з негативним впливом ВГ на людину та довкілля прийнято ряд нормативно-технічних документів (НТД), які регламентують допустимий вміст шкідливих речовин у ВГ автомобілів, в т.ч. дизельних. Постійне посилення вимог НТД щодо викидів шкідливих речовин вимагає від виробників автомобілів пошуків ефективних методів і засобів підвищення екологічності ВГ. Тому актуальним є дослідження та розроблення для вітчизняних великовантажних дизельних автомобілів систем знешкодження ВГ з допомогою каталітичних нейтралізаторів.

Для зменшення токсичності та димності ВГ все більшого поширення набувають різноманітні пристрої, які монтуються у випускну систему двигунів автомобілів. Це, передовсім, каталітичні нейтралізатори (КН). В колишній державі і в Україні уже впродовж кількох десятиліть ведуться роботи із зменшення шкідливого впливу автомобілів та їх двигунів на довкілля. Значний вклад у вирішення цієї проблеми внесли такі вчені як Долганов К.Є., Гутаревич Ю.Ф., Безбородова Г.Б., Головчук А.Ф., Гусаров А.П., Нікульніков Є.Н., Вайсблюм М.Е., Філіпосянц Т.Р., Кутєньов В.Ф., Камєнєв В.Ф., Мазінг М.В., Бреховських И.С. та інші.

При використанні окиснювальних КН на дизельних автомобілях спостерігається не тільки знешкодження токсичних речовин у ВГ, але й зменшення їх димності. Тому на таких автомобілях доцільно спільно використовувати ці очисні функції КН. Однак, широке застосування КН обмежується їх високою вартістю й незначною ефективністю через недостатнє вивчення хімічних, фізичних та газодинамічних процесів, які проходять в нейтралізаторі. Це зумовлює необхідність визначення оптимальної конструкції КН, розроблення досконалих методик розрахунку викидів шкідливих речовин дизельними автомобілями, обладнаними КН. В літературних джерелах відсутні вірогідні дані не тільки ті, що враховують зменшення димності ВГ при обладнанні дизельного автомобіля платиновим КН, але й навіть ті, що пояснюють це явище. Отже дослідження впливу окиснювального КН на димність ВГ дизельного автомобіля є актуальним. Ці дослідження становлять основу науково-дослідних робіт з визначення очисних функцій КН, які виконуються на кафедрі “Автомобілі і трактори” Кременчуцького державного політехнічного університету.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з науково-дослідною держбюджетною темою № 489А-95/Б “Дослідження закономірностей взаємодії потоку відпрацьованих газів ДВЗ з складною структурою “каталітичний нейтралізатор-глушитель” з метою підвищення ефективності каталізу і зниження рівня шуму”, яка виконувалась згідно з Технічним завданням Міністерства освіти України (Наказ по Кременчуцькому філіалу Харківського політехнічного інституту № 1-I від 02.01.95 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є зменшення димності та токсичності ВГ великовантажних дизельних автомобілів застосуванням у випускній системі КН. Для досягнення поставленої мети були розв'язані наступні задачі:

1. Аналіз димності ВГ дизельного автомобіля, що визначається присутністю в складі газів сажових часток, які є носіями шкідливих речовин, та аналіз їх впливу на довкілля.

2. Аналіз режимів роботи великовантажних дизельних автомобілів в умовах експлуатації та огляд випробувальних циклів згідно з НТД, які регламентують димність ВГ і питомі викиди твердих часток.

3. Аналіз методів зменшення димності ВГ дизельних автомобілів.

4. Теоретичні дослідження димності ВГ великовантажного дизельного автомобіля, обладнаного КН (дослідження газодинамічних процесів у випускній системі автомобіля з урахуванням впливу акустичних коливань газового середовища; визначення ступеня впливу окиснення часток сажі при взаємодії з каталізатором на концентрацію оксиду вуглецю у ВГ на виході з КН).

5. Експериментальні дослідження димності та токсичності ВГ дизельного автомобіля, обладнаного КН (лабораторні дослідження сажових відкладень із випускної системи дизельного автомобіля; виготовлення макетної моделі КН та проведення експериментальних досліджень впливу КН на димність і токсичність ВГ на різних режимах роботи двигуна з визначенням ступеня впливу окиснення сажових часток на концентрацію оксиду вуглецю у ВГ).

6. Встановлення залежностей, які визначають зменшення димності ВГ та питомих викидів твердих часток з ВГ великовантажного дизельного автомобіля, обладнаного КН.

7. Розробка алгоритмів та розрахунок димності і питомих викидів твердих часток у ВГ великовантажних дизельних автомобілів, обладнаних КН.

Об'єкт дослідження - випускна система великовантажних дизельних автомобілів, обладнана КН.

Предмет дослідження - вплив КН на зменшення димності і токсичності ВГ великовантажних дизельних автомобілів.

Методика дослідження - включає в себе теоретичний аналіз процесів, які протікають в КН, лабораторні дослідження сажі із випускної системи великовантажного дизельного автомобіля та експериментальне дослідження очисних функцій КН з моделюванням різних режимів роботи двигуна і розмірів каталітичного блока.

Наукова новизна одержаних результатів. Подальший розвиток дослідження процесів зменшення димності і токсичності ВГ при використанні окиснювального КН у випускній системі дизельного автомобіля; встановлена залежність зменшення димності ВГ при їх взаємодії з каталізатором; визначено механізм зменшення димності ВГ дизельного автомобіля, обладнаного КН, з одночасним очищенням ВГ від оксиду вуглецю; наведена кількісна та якісна оцінка цього процесу. Вперше уведено оцінковий критерій - коефіцієнт фактичного ступеня очистки ВГ дизельного автомобіля від оксиду вуглецю залежно від ступеня зменшення димності ВГ.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені алгоритми розрахунку димності ВГ та питомих викидів твердих часток великовантажними дизельними автомобілями, обладнаними КН. Вони можуть бути використані на стадії проектування дизельного автомобіля або обладнання серійного автомобіля каталітичними нейтралізаторами ВГ. Алгоритми враховують не тільки режими роботи автомобіля (його двигуна), але й розміри каталітичного блока. Їх застосування дає змогу зменшити витрати на проведення додаткових випробувань автомобіля або двигуна щодо виконання вимог НТД щодо димності ВГ та питомих викидів твердих часток з ВГ. Результати досліджень використовуються в Управлінні головного конструктора Холдингової компанії “АвтоКрАЗ” при проектуванні дослідних зразків автомобілів КрАЗ, а також у навчальному процесі (лабораторні роботи, курсове та дипломне проектування) кафедри “Автомобілі і трактори” та факультету підготовки молодших спеціалістів Кременчуцького державного політехнічного університету (КДПУ).

Особистий внесок здобувача. Здобувачу належать: генерування ідей наукових досліджень [1, 2, 5, 8]; встановлення залежностей, які визначають ступінь зменшення димності ВГ при взаємодії їх з каталізатором [9]; розроблення алгоритмів розрахунку димності ВГ та питомих викидів твердих часток великовантажними дизельними автомобілями, обладнаними КН [4]; розроблення методик експериментальних досліджень та проведення їх в повному обсязі [10, 12].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались і були схвалені на регіональних науково-технічних конференціях “Проблеми створення нових машин та технологій”, які проводились в 1995-1999, 2002 р.р. у КДПУ (м. Кременчук); на спільному науковому семінарі кафедр “Автомобілі” та “Двигуни внутрішнього згоряння” Національного транспортного університету (м. Київ) у 1999 р.; на засіданні науково-технічної ради НДІ “Укравтобуспром” (м. Львів) у 2000 р.

Публікації. Основні теоретичні засади дисертації, методики, результати досліджень, висновки та рекомендації опубліковані у 13 друкованих роботах, в т.ч. у 4 фахових виданнях; отримано один патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, основних висновків, списку використаних джерел, який налічує 129 найменувань. Загальний обсяг роботи становить 135 сторінки основного тексту і містить 2 додатки на 6 сторінках, 11 таблиць, 33 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі роботи, викладена методика досліджень, наукова новизна, практична цінність та практичне використання результатів роботи.

У першому розділі виконано огляд літературних джерел за темою роботи. Проведено аналіз димності ВГ дизельних автомобілів, чинників, що визначають оптичну густину газів, впливу димності ВГ на довкілля.

Відпрацьовані гази дизельних автомобілів характеризуються наявністю великої кількості видимих забруднюючих речовин - часток сажі (вуглецю). Сажа утворюється при термічному розпаді палива при недостатній кількості кисню і характеризується здатністю утримувати шкідливі речовини. Внаслідок малих розмірів частки сажі довго знаходяться у зваженому стані і, потрапляючи у легені людини, спричинюють шкідливий вплив на її організм.

Виконаний аналіз методів зменшення димності ВГ дизельних автомобілів показує, що незважаючи на те, що виробниками автомобілів та двигунів проводиться відповідний комплекс інженерно-технічних заходів, не вдається домогтися зменшення викидів сажі з ВГ до норм, регламентованих чинними НТД. Тому все частіше у випускній системі автомобілів застосовуються різноманітні пристрої для очищення ВГ, серед яких найбільш ефективними є КН. Не зважаючи на те, що вони мають високу вартість у зв'язку з використанням в їх конструкціях дорогоцінних металів, застосування КН в випускній системі автомобілів забезпечує високий ступінь очищення ВГ від шкідливих речовин та незначний газодинамічний опір.

Каталітичні нейтралізатори, виготовлені на основі платини, успішно застосовуються для зменшення викидів оксиду вуглецю з ВГ. При цьому спостерігається значне зменшення димності ВГ. Тому доцільно спільно використовувати функції платинового КН з очищення ВГ дизельних автомобілів від оксиду вуглецю і із зменшення димності ВГ.

У другому розділі проаналізовано режими роботи великовантажних дизельних автомобілів в реальних умовах експлуатації, a також зроблено огляд випробувальних циклів відповідно до вимог НТД, що регламентують димність ВГ та питомі викиди твердих часток з ВГ.

Використання КН на автомобілях ускладнюється тим, що залежно від дорожніх умов, швидкості руху і навантаження на автомобіль, необхідні для його руху потужність двигуна і частота обертання колінчастого вала змінюються в широких межах. Це у свою чергу визначає діапазон зміни обсягів викидів ВГ та концентрацію в них шкідливих речовин і обумовлює зміни умов роботи КН.

Для дослідження зменшення димності ВГ великовантажного дизельного автомобіля, обладнаного КН, проведено аналіз режимів роботи автомобілів КрАЗ та МАЗ різного призначення і в різних умовах експлуатації. Це дало змогу обгрунтувати режими роботи двигуна для проведення експериментальних досліджень.

Огляд НТД за темою роботи показує, що великовантажні дизельні автомобілі, які виготовляються в Україні, відповідають нормам за димністю ВГ згідно з Правилами № 24 ЄЕК ООН та іншими нормативними документами, які діють в нашій країні. Однак вони не задовольняють вимог (з урахуванням останніх поправок) щодо питомих викидів твердих часток згідно з Правилами № 49 ЄЕК ООН. Відомо, що димність ВГ вимірюється на різних режимах роботи двигуна і її оцінка проводиться методом просвічування стовпа ВГ із визначенням коефіцієнта непрозорості газів К (%) або коефіцієнта абсолютного світлопоглинання N (м-1). Питомі викиди твердих часток з ВГ визначаються після проведення 13-ступінчастого випробувального циклу. Процедура випробувань полягає у відборі порції ВГ із фільтрацією твердих часток спеціальними фільтрами з наступним розрахунком їх питомих викидів.

Жорстка обмеженість стосовно викидів шкідливих речовин з ВГ вимагає невідкладного розв'язання цього науково-прикладного завдання. Одним із ефективних методів і засобів нейтралізації є використання у випускній системі дизельного автомобіля окиснювального КН, що одночасно з очищенням ВГ від оксиду вуглецю, дає змогу значно зменшувати їх димність.

У третьому розділі викладено результати теоретичних досліджень димності ВГ великовантажного дизельного автомобіля, обладнаного платиновим КН. Розглянуто особливості утворення в циліндрах автомобільного дизеля сажових часток, їх розміри та будова.

Для визначення можливості осадження сажових часток у випускній системі автомобіля проаналізовано газодинамічні характеристики потоку ВГ, як у системі випуску, так і в проточній порожнині каталітичного блока. Розраховано об'ємні та масові витрати ВГ на різних режимах роботи двигуна, швидкість газового потоку в трубопроводах і каналах каталітичного блока на цих режимах, густину, динамічну в'язкість та турбулентність потоку газів з урахуванням зміни температури і надлишкового тиску у випускній системі. Розглянуто рух сажових часток з ВГ з урахуванням акустичних коливань газового середовища.

Впровадження КН на дизельних автомобілях стримується проблемою забруднення поверхні каталізатора сажовими частками, що зменшує ступінь очищення КН і різко підвищує його газодинамічний опір. Але одночасно з цим відбуваються процеси очищення каталізатора під дією швидкісного напору газів. В результаті теоретичних досліджень визначено оптимальні швидкості руху ВГ, при яких відбувається очищення поверхні каталізатора від сажових відкладень та зберігаються його хімічні функції як нейтралізатора.

Одним з важливих питань, яке досліджувалось в дисертації, вважалось встановлення причин зменшення димності ВГ. Це явище спостерігалось як внаслідок механічної фільтрації сажових часток каталітичним блоком, так і внаслідок догоряння їх на поверхні каталізатора.

При взаємодії ВГ з платиновим каталізатором відбувається хімічне догоряння часток сажі. При цьому утворюються додаткові порції оксиду вуглецю, що впливають на ступінь очищення КН від цієї токсичної речовини. Спрощена діаграма нейтралізації сажі та оксиду вуглецю показана на рис.2.

В результаті теоретичних досліджень визначено ступінь впливу окиснення часток сажі на загальну концентрацію оксиду вуглецю у ВГ.

Вперше запропоновано застосовувати коефіцієнт f фактичного очищення ВГ від оксиду вуглецю, який залежить від концентрації часток сажі й оксиду вуглецю у ВГ та ступеня очищення газів від цих речовин.

Якщо виразити коефіцієнт f через масові концентрації оксиду вуглецю та часток сажі на вході і виході КН, то його величина визначається за формулою:



, (1)

де km - коефіцієнт, який виражає відношення відносних молекулярних мас кисню і вуглецю;

concCОВХ , concCОВИХ , concCВХ , concCВИХ - масові концентрації оксиду вуглецю та часток сажі відповідно на вході і виході КН, г/м3.

Коефіцієнт f можна також виразити через ступінь очищення каталізатора від часток сажі lС та оксиду вуглецю lСО і концентрації цих компонентів на вході в КН:

. (2)

Виходячи з того, що масові концентрації часток сажі та оксиду вуглецю у ВГ дизельного автомобіля відомі, a також відомо, що ступінь очищення ВГ від оксиду вуглецю досягає lСО = 90 %, а від часток сажі - до lС=30 % визначаємо, що коефіцієнт фактичного очищення ВГ від оксиду вуглецю досягає f =0,25...0,3.

На основі теоретичних досліджень можливості осадження часток сажі під дією сил інерції в потоці ВГ з урахуванням впливу акустичних коливань газового середовища встановлено, що КН не можна розглядати як пристрій для механічної фільтрації часток сажі, оскільки кількість сажі, яка осіла на поверхні каталізатора, незначна порівняно з валовими викидами сажі в атмосферу в процесі експлуатації автомобіля. Однак забруднення каталізатора сажовими відкладеннями зменшує очисні функції КН і підвищує його газодинамічний опір. Встановлено механізм впливу окиснення часток сажі при взаємодії їх з каталізатором на ступінь очищення КН від оксиду вуглецю. Визначено, що при використанні у випускній системі автомобіля КН, фактичний ступінь очищення ВГ від оксиду вуглецю з урахуванням окиснення часток сажі збільшується на 30 %.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу платинового КН на димність ВГ.

Під час досліджень у спеціалізованих лабораторіях були проведені фізико-хімічні аналізи та аналізи з використанням електронного мікроскопа МЕ-200 сажі із системи випуску ВГ автомобілів КрАЗ, що дало змогу визначити розміри, будову і фізико-хімічні властивості сажових часток (дисперсність, структурність, кислотність, насипну густину, наявність незгорівших нафтопродуктів та золи).

Дослідженням підлягали каталізатори БКМП (блочні каталізатори на металевій основі, платинові), які являють собою циліндричні блоки довжиною 90 мм та діаметром до 200 мм, звиті з жаростійкої сталевої фольги товщиною 0,1 мм. Плоска та гофрована стрічка фольги при спіральній навивці утворюють велику кількість вузьких поздовжніх каналів трикутного перетину, на які для підвищення питомої робочої поверхні нанесений прошарок бокситів з термостабілізуючими добавками. При спіканні його утворюється жорстка конструкція, на яку нанесена платина, що виконує функцію каталізатора хімічних реакцій окиснення продуктів неповного згоряння палива. Відношення площі робочої поверхні каталізатора до повного об'єму блока характеризує його активність W.

Експериментальні дослідження очисних функцій КН проводилися як на автомобілі КрАЗ-6510 з дизельним двигуном ЯМЗ-238М2, так і на моторному стенді в лабораторії кафедри “Автомобілі і трактори” КДПУ. Стенд складається з силового агрегату (двигун ЯМЗ-238) з навантажувальним електричним гальмом (динамометром DS 1206-6k/V), який являє собою електродвигун постійного струму з балансирно підвішеним статором і ваговим пристроєм для вимірювання крутного моменту двигуна. Двигун обладнаний системою живлення дизельним паливом з його багатоступінчастою очисткою палива у фільтрах і системою відділення повітря від палива, системами охолодження і випуску ВГ, дистанційними приводами керування подачею палива, зупинки двигуна, витратоміром палива AVL 7077, тахометром ТЦ-5 з індукційними давачами. Використання моторного стенда дало змогу прискорити проведення випробувань та зменшити їх собівартість.

На основі, виконаного в розділі 2, аналізу режимів роботи великовантажних дизельних автомобілів КрАЗ і МАЗ в реальних умовах експлуатації та, зважаючи на регламентовані НТД випробувальні цикли на димність та викиди твердих часток у ВГ, визначено режими роботи двигуна під час його лабораторних випробувань. Вибрані режими роботи не тільки моделюють режими у реальних умовах експлуатації великовантажних дизельних автомобілів, але й одночасно характеризують різний вміст шкідливих речовин у ВГ, що важливо для дослідження очисних функцій КН.

Для дослідження процесів очищення ВГ каталітичним нейтралізатором виготовлена макетна установка. У трубопроводі одного з випускних колекторів двигуна на моторному стенді була вмонтована макетна модель нейтралізатора (рис. 3). Нейтралізатор виконаний за класичною схемою - впускна труба, дифузор 1, конфузор 2, циліндричний корпус із каталітичним блоком 3, випускна труба. Для забезпечення рівномірності потоку ВГ по всьому перетину нейтралізатора дифузор виконаний подовженим. Макетна модель нейтралізатора обладнана приладами: п'єзометром для вимірювання газодинамічного опору каталітичного блока; мікроманометром ММН-240 ТУ-25-01-816-74; приладами для вимірювання димності ВГ ИНА-109 і ELKON DF-375; газоаналізатором ГХ-М У5 ТУ 1243. 01. 166-86; газовим хроматографом “Газохром 3101” ТУ 25-05-1560-74; приладом КСП-4-067-УХЛ 4.2 ГОСТ 7164-78 для вимірювання температури газів.

Для визначення впливу швидкості руху ВГ по поверхні каталізатора на зменшення димності ВГ експериментальні дослідження були проведені за наступною методикою. Швидкість потоку ВГ в каналах каталітичного блока та об'єм блока за постійної витрати газів змінювалися способом змінювання діаметра прохідного перетину блока установкою на вході та виході каталітичного блока кілець 4 з різними внутрішніми діаметрами отворів (див. рис. 3). Тобто, не змінюючи конструкцію нейтралізатора, велись випробування зразків каталітичного блока БКМП різного діаметра на сталих режимах роботи двигуна. В результаті отримано закономірності зміни димності К газів на вході і виході каталізатора та ступеня зменшення димності lK газів для різних розмірів каталітичного блока в залежності від швидкості vВГ потоку ВГ (рис. 4). Крім цього, отримано закономірності зміни об'ємного вмісту concCO оксиду вуглецю в газах на вході і виході каталізатора та ступеня очищення lСО газів від оксиду вуглецю та газодинамічний опір блока DН (рис. 5). На рис. 4, 5 показано результати випробувань на вибраних режимах роботи двигуна: суцільними лініями - при частоті обертання колінчастого вала двигуна nе = 950 хв-1, навантаженні МКР = 650 НЧм і температурі ВГ на вході в блок Т = 390 °С; пунктирними лініями - при nе = 1300 хв-1, МКР = 650 НЧм, Т = 420 °С ; штрих-пунктирними лініями - при nе=1650 хв-1, М= 650 НЧм, Т = 470 °С.

При проведенні експериментальних досліджень різке збільшення димності ВГ двигуна та концентрації в них оксиду вуглецю досягалось зменшенням на 5° кута випередження впорскування палива у циліндри двигуна, у відмінності від рекомендованого. Проводились також випробування на режимі вільного прискорення двигуна, що також характеризується

підвищеною димністю та токсичністю ВГ. Очисні функції КН та закономірності їх проходження на цих режимах зберігаються.

Для підтвердження теоретичних досліджень, щодо впливу окислення часток сажі на концентрвцію оксиду вуглецю у ВГ на виході з КН, виконувались наступні експериментальні випробування. У макетній моделі перед каталітичним блоком був встановлений сажовий фільтр. Фільтр являє собою шар волокнистого кремнеземного матеріалу. Установка фільтра дала змогу повністю усунути вплив окиснення частинок сажі на поверхні каталізатора на здатність його зменшувати концентрації оксиду вуглецю у ВГ. Для цієї схеми установки побудовано токсичні характеристики двигуна на вибраних режимах роботи. Ступінь очищення ВГ від оксиду вуглецю підвищилася на 25-30 %, що підтверджує результати теоретичних досліджень (рис. 6). Вміст оксиду вуглецю та ступінь очищення газів без сажового фільтра на рис. 6 показаний суцільними лініями, а за наявності сажового фільтра - штриховими лініями.

У п'ятому розділі здійснено аналіз та узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень щодо зменшення димності ВГ великовантажних дизельних автомобілів, обладнаних КН. Встановлено аналітичні залежності, які описують зменшення димності ВГ та викиди твердих частинок. Ці залежності знайшли практичне застосування в алгоритмах розрахунку величини димності ВГ та питомих викидів твердих частинок з відпрацьованими газами.

Коефіцієнт КВИХ непрозорості та абсолютного світлопоглинання NВИХ газів на виході з КН на кожному режимі випробувань визначали з добутків:

; (3)

, (4)

КВХ, NВХ - коефіцієнти непрозорості та абсолютного світлопоглинання на вході в КН, відповідно у % і м-1 ;

де КЗАЛ, NЗАЛ - коефіцієнти залишкової димності ВГ та залишкового світлопоглинання на окремому режимі випробувань, відповідно у % і м-1.

Коефіцієнти КЗАЛ і NЗАЛ на окремому режимі випробувань розраховуються за формулами:

; (5)

, (6)

де L=0,43 м - ефективна база димоміра;

Швидкість потоку ВГ в КН на окремому режимі випробувань визначали за співвідношенням:

, (7)

де QО - об'ємні витрати газів, м3/год;

kБЛ =0,85 - коефіцієнт, який враховує відкритий перетин блока;

У разі використання для очищення ВГ каталітичного блока з іншою активністю необхідна площа SБЛ його визначається за формулою:

, (8)

де SАКТ - площа робочої поверхні каталізатора, м2;

W - активність каталізатора, м-1;

LБЛ - довжина каталітичного блока, м.

Розрахунок викидів твердих часток проводиться за методикою, викладеною в Правилах № 49 ЄЕК ООН, але з використанням коєфіцієнта залишкової концентрації часток сажі на виході з КН kЗАЛ, з урахуванням того, що твердими частками є лише частки сажі:

, (9)



де - зважене середнє значення викидів твердих часток, г/(кВтЧгод);

РTmass - витрата твердих часток за масою, г/год;

Рi - некоректована корисна вихідна потужність двигуна на окремому режимі, кВт;

Paux, i - загальна додаткова потужність, яка споживається устаткуванням двигуна на окремому режимі, кВт;

WFi - ваговий коефіцієнт на окремому режимі роботи двигуна;

- середнє значення коефіцієнта залишкової концентрації часток сажі у ВГ.

Коефіцієнт розраховується як частка від ділення:

, (10)

де kЗАЛ,і - коефіцієнт залишкової концентрації часток сажі у ВГ на окремому режимі циклу випробувань згідно з Правилами № 49 ЄЕК ООН.

Коефіцієнт kЗАЛ,і розраховується за формулою:

. (11)

Концентрація часток сажі у ВГ на вході в КН визначається за формулами:

, або (12)

. (13)



При цьому під час циклу випробувань на кожному режимі вимірюється відповідно коефіцієнт абсолютного світлопоглинання N або коефіцієнт непрозорості К.

Швидкість ВГ в проточній порожнині каталітичного блока на окремому режимі циклу випробувань визначається за формулою (7). У випадку використання для очищення ВГ каталізатора з іншою активністю W, необхідні розміри блока визначаються за формулою (8).

З урахуванням наведених формул розраховано показник N для різних режимів роботи двигуна ЯМЗ-238М2 автомобіля КрАЗ-6510 та проведені його випробування з метою експериментального визначення цього ж показника. Система випуску ВГ була обладнана двома блоками БКМП діаметром 145 мм. Отримані дані показують високу збіжність розрахованого NРОЗР та експериментального коефіцієнтів NВИМ.

Наведені алгоритми розрахунку можуть бути використані на стадії проектування КН для великовантажного дизельного автомобіля з урахуванням відомих для нього величин димності ВГ та питомих викидів твердих часток, визначених без КН.



ВИСНОВКИ

1. Застосування у випускній системі двигуна великовантажного дизельного автомобіля платинового каталітичного нейтралізатора приводить до зменшення димності відпрацьованих газів. Зменшення коефіцієнта непрозорості ВГ досягає 30 %. Встановлено, що при цьому одночасно використовуються функції окиснювального каталізатора і для зменшення токсичності відпрацьованих газів (вмісту в них оксиду вуглецю).

2. Зменшення димності ВГ з допомогою КН, яке оцінюється коефіцієнтами непрозорості їх, досягає 30 %. Воно відбувається, в основному, внаслідок окиснення часток сажі в присутності платинового каталізатора, а не в результаті механічної фільтрації їх каталітичним блоком.

3. Окиснення часток сажі в результаті взаємодії їх з каталізатором істотно впливає на ступінь очищення КН від оксиду вуглецю. Якщо застосовувати фільтрацію часток сажі на вході в каталітичний блок, то внаслідок цього ступінь очищення каталізатором ВГ від оксиду вуглецю збільшиться на 25-30 %.

4. Ступінь очищення газів від оксиду вуглецю та часток сажі платиновим КН прямопропорційно залежить від об'єму каталітичного блока та швидкості потоку газів. На неї впливають концентрації оксиду вуглецю та часток сажі у ВГ на вході в каталітичний блок.

5. Визначено оптимальну швидкість руху ВГ в КН (10-15 м/c), за якої забезпечується самоочищення поверхні каталізатора від сажових забруднень під дією газодинамічного напору газів; при цьому зберігаються його окиснювальні функції.

6. Отримані аналітичні залежності, які визначають зменшення димності ВГ та питомих викидів твердих частинок, дають можливість обгрунтувати оптимальні розміри каталітичного блока з ураховуванням різних режимів роботи автомобіля та газодинамічного опору КН.

7. Розроблені алгоритми розрахунків димності ВГ та питомих викидів твердих часток рекомендуються до їх практичного використання для визначення фактичних і граничних параметрів ВГ у випускних системах будь-яких великовантажних дизельних автомобілів, обладнаних КН різних конструкцій (керамічних, насипних гранульованих, звитих дротяних та інших окиснювальних каталізаторів), за умови забезпечення виробниками каталізаторів необхідної їх активності.

8. Аналіз режимів роботи різномарочних великовантажних дизельних автомобілів в реальних умовах експлуатації та результатів теоретичних і експериментальних досліджень на базі автомобіля КрАЗ-6510 щодо зменшення димності і токсичності ВГ з допомогою платинового КН уможливлюють поширення їх на інші моделі вітчизняних дизельних автомобілів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Шапко В.Ф., Баранович М.Ф., Дунь С.В. Характеристика сажевых отложений из системы выпуска отработавших газов автомобилей КрАЗ // Сб. тр. Харьков. госуд. политех. ун-т. Ч. 1. - Кременчуг: Науч.-исслед. отделение Кременчугского филиала ХГПУ, 1995. - С. 76-79.

2. Дунь С.В., Шапко В.Ф. Динамика сажевых частиц в потоке отработавших газов автомобиля с дизельным двигателем // Науч. тр. Харьков. госуд. политех. ун-т. - Кременчуг: Науч.-исслед. отделение Кременчугского филиала ХГПУ, 1996. - С. 21-23.

3. Дунь С.В. Зменшення димності відпрацьованих газів дизельних автомобілів використанням у випускній системі каталітичних нейтралізаторів // Машинознавство, - 2002. - № 4. - С. 50-55.

4. Шапко В.Ф., Дунь С.В. Методи розрахунку димності відпрацьованих газів та викидів твердих часток великовантажними дизельними автомобілями, обладнаними каталітичними нейтралізаторми // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наук. пр. КДПУ. Вип. 3/2002 (14). - Кременчук: КДПУ, 2002. - С. 8-12.

5. Шапко В.Ф., Баранович М.Ф., Дунь С.В. Сажа на выхлопе автомобилей КрАЗ // Автомобильная промышленность, - 1996. - № 4. - С. 24-25.

6. Дунь С.В., Шапко В.Ф. Размеры и строение сажевых включений в отработавших газах автомобиля с дизельным двигателем // Науч. тр. КГПИ "Проблемы создания новых машин и технологий". - Кременчуг, 1997. - С. 110-111.

7. Дунь С.В., Шапко В.Ф. Коагуляция сажевых частиц в отработавших газах транспортных средств под действием звуковых колебаний // Науч. тр. КГПИ "Проблемы создания новых машин и технологий". - Кременчуг, 1997. - С. 209-214.

8. Дунь С.В., Шапко В.Ф. Звуковые колебания уменьшают выбросы сажи // Автомобильная промышленность. - 1998. - № 4. - С. 18-19.

9. Шапко В.Ф., Дунь С.В. Каталитическая очистка отработавших газов дизельных двигателей // Науч. тр. КГПИ “Проблемы создания новых машин и технологий”. Вып. 1. - Кременчуг, 1998. - С. 281-283.

10. Шапко В.Ф., Дунь С.В. Установка для исследования условий работы автомобильного каталитического нейтрализатора отработавших газов // Приднiпровський науковий вiсник. - 1998. - № 55 (122). - С. 54-58.

11. Шапко В.Ф., Дунь С.В. Влияние окисления сажевых частиц на каталитическую очистку отработавших газов автомобиля с дизельным двигателем // Науч. тр. КГПИ “Проблемы создания новых машин и технологий”. Вып. 2. - Кременчуг, 1998. - С. 277-279.

12. Шапко В.Ф., Дунь С.В., Шапко С.В. Исследование условий работы каталитического нейтрализатора, влияющих на очистку отработавших газов автомобиля с дизельным двигателем от токсичных веществ и самоочистку катализатора от сажевых отложений // Науч. тр. КГПИ “Проблемы создания новых машин и технологий”. Вып. 2. - Кременчуг, 1998. - С. 280-282.

13. Дунь С.В., Шапко В.Ф. Метод расчета выбросов частиц углерода большегрузными автомобилями с дизельными двигателями, оснащенными каталитическими нейтрализаторами отработавших газов // Науч. тр. КГПИ “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг, 1999. - С. 301-304.

14. Пат. 39043А Україна, МПК 7 F01N3/20. Спосіб визначення очисних функцій окиснювального каталітичного нейтралізатора відпрацьованих газів дизельного двигуна / С.В.Дунь, В.Ф.Шапко (Україна).- № 2001010480. Заявл. 23.01.2001; Опуб. 15.05.2001, Бюл. № 4. - 2 с.

Размещено на Allbest.ru

...