автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Способы и технические средства снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств при работе в помещениях сельскохозяйственного назначения

На правах рукописи

ТРИШКИН Иван Борисович

СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 7 ПАР 2014

Мичуринск-Наукоград РФ 2014

005546547

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева» (ФГБОУ ВПО РГАТУ) на кафедрах «Сельскохозяйственные, дорожные и специальные машины», «Механизация животноводства».

Научный консультант- доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, Владимир Федорович Некрашевич Официальные оппоненты: Истомин Сергей Викторович,

доктор технических наук, профессор, Поволжский межрегиональный филиал федерального государственного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт охраны и экономики труда» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации, заместитель директора по научной работе и общим вопросам

Макаров Валентин Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства Россельхозакадемии», заместитель директора по науке Лебедев Анатолий Тимофеевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет», руководитель инновационной лаборатории «Восстановление и упрочнение деталей машин», заведующий кафедрой технического сервиса, стандартизации и метрологии Ведущая организация - Государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится « 17 » апреля 2014 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационных советов

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета ФГБОУ ВПО «МичГАУ», с авторефератом на сайтах www.vak.ed.gov.ru и www.mgau.rn.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Ю. Ланцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Основами продовольственной безопасности РФ являются увеличение объемов производства основных видов животноводческой и растениеводческой продукции. Рост поголовья и повышение продуктивности ската, птицы, основных видов сельскохозяйственных культур должны происходить при одновременном поддержании высокого качества конечного продукта. Достижение поставленных задач невозможно без улучшения условий содержания сельскохозяйственных животных и произрастания растений. Это подразумевает создание оптимальных параметров микроклимата животноводческих помещений и помещений защищенного грунта, а также создание условий для безопасного и высокопроизводительного труда работников сельскохозяйственных предприятий.

Одной из причин, вызывающих нарушение воздушно-газового режима атмосферы помещения и, как следствие, влекущих за собой ухудшение условий труда, качества продукции, сокращение срока службы зданий и сооружений, является эксплуатация мобильной техники, на которой используются дизельные двигатели, обладающие меньшей токсичностью и большей экономичностью по сравнению с бензиновыми аналогами. Вместе с тем постоянное использование их способствует накоплению в воздушной среде помещений токсичных компонентов (ТК) отработавших газов (ОГ).

Поэтому создание экологически безопасных условий жизнедеятельности в помещениях сельскохозяйственного назначения с работающими мобильными энергетическими средствами (МЭС) с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является актуальной проблемой, решение которой вносит значительный вклад в развитие агропромышленного комплекса страны.

Для решения указанной проблемы предлагается комбинированный метод включающий модернизацию системы питания и отвода ОГ дизельного ДВС* и создание устройств отвода ОГ из помещения.

Исследования проводились в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева» в 1987-2013 годах и долгосрочной целевой программы «Улучшение экологической обстановки в Рязанской области на 2010-2015 годы» от 13.10.2009 г. №273.

Степень разработанности темы. Для снижения токсичности ОГ дизельных ДВС используются следующие методы: изменение конструкции ДВС, применение альтернагавных видов топлива, улучшение качества топлива, оптимизация режимов работы ДВС, поддержание технически исправного состояния МЭС, очистка ОГ. Однако использование разработанных средств снижения токсичноста ОГ на основе существующих способов недостаточно эффективно в виду низкой степени очистки, высокой стоимосги и небольшого срока службы устройств и помещений сельскохозяйственного назначения.

Анализ работ В .А. Звонова, Б. И. Смайлиса, И.Л. Варшавского, В.А. Лиханова, С.В. Истомина, В.А. Стрельникова, Т.Ю. Саловой, С.Н. Девятою, И.Е. Либерова, Е.В. Лунина и других авторов показал, что предлагаемые способы направлены на снижение токсичности различными путями, но это не решает проблемы вредного влияния ОГ на растения, организм

В дальнейшем в тексте - система питания.

человека и животных, так как постоянно происходит накопление вредных веществ (ВВ) в помещении, где ведутся работы с использованием МЭС с дизельными ДВС.

Вопросы о закономерностях состояния воздушной среды и обеспечении экологической безопасности помещений сельскохозяйственного назначения с используемыми в них МЭС изучены недостаточно.

Цель и задачи. Улучшение условий жизнедеятельности (человека, животных, растений) в помещениях сельскохозяйственного назначения с функционирующими в них мобильными энергетическими средства™ с дизельными двигателями внутреннего сгорания путем снижения токсичности отработавших газов за счет совершенствования системы питания, а также посредством отвода отработавших газов из помещений.

Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:

1. Разработать и обосновать конструктивно-технологические схемы устройств предварительного пароозонирования и обогащения присадкой сжиженного газа воздушного заряда, жидкостного нейтрализатора, электрического сажевого фильтра, отвода отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств работающих в помещениях сельскохозяйственного назначения.

2. Разработать аналитическую модель воспламенения и горения дизельного топлива совместно с присадкой сжиженного газа и обосновать оптимальные параметры устройства обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа при совершенствовании системы питания дизельного двигателя.

3. Разработать математическую модель процесса и обосновать оптимальные параметры устройства для предварительного пароозонирования воздушного заряда системы питания дизельного двигателя.

4. Разработать математические модели процесса нейтрализации отработавших газов и обосновал, оптимальные параметры электрического сажевого фильтра (ЭФ) и жидкостного нейтрализатора (ЖН).

5. Разработать математическую модель процесса и обосновать оптимальные параметры устройств отвода отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств из помещений сельскохозяйственного назначения.

6. Провести проверку предложенных способов и разработанных устройств в лабораторных и производственных условиях и дать оценку технико-экономической эффективности их использования для обеспечения экологической безопасности при работе МЭС с ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения.

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы улучшения состояния воздушной среды в помещениях сельскохозяйственного назначения с работающими в них МЭС с ДВС путем разработки теоретических положений и обобщения закономерностей, в результате которых предложены:

- метод анализа состояния и динамического взаимодействия атмосферы в помещениях сельскохозяйственного назначения с выбросом токсичных веществ (ТВ) ОГ дизельного ДВС;

- математические модели сажевого фильтра и системы удаления ОГ из помещений;

- математические модели системы обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа, пароозонирования воздушного заряда;

- математическая модель системы влажной очистки ОГ.

Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена 15 патентами РФ на полезную модель.

Теоретическая и практическая значимость работы: методики расчета конструктивно-технологических параметров комплекса устройств системы питания дизельных ДВС для снижения токсичности и отвода ОГ из помещений; метод анализа состояния и динамического взаимодействия атмосферы в помещениях сельскохозяйственного назначения с выбросом токсичных веществ (ТВ) ОГ дизельного ДВС.

Полученные результаты имеют большую значимость для проектно-конструкторских организаций (разработка конструкций машин и оборудования, отдельных элементов, методика обоснования конструкций и их классификация), государственных и частных предприятий, отраслевых министерств, организаций планирования (при разработке концепций, прогнозов, планов, методических рекомендаций, программ обоснования стратегий, различных нормативных документов по обеспечению продовольственной безопасности страны), в ВУЗах (при чтении лекций, проведении лабораторных работ и практических занятий, выполнении курсовых и дипломных работ).

Методология и методы исследования.

В теоретических исследованиях использовались законы гидродинамики, теплотехники, аэродинамики, электротехники и теоретической механики.

При экспериментальных исследованиях использовались общеизвестные методики, а также разработанные на их основе частные методики. При этом использовались современные приборы и оборудование, а также стенды для испытаний: САК-670 (дизель Д-21А, Д-120), КИ-8927 (трактор Т-25Л, Т-30), КИ-2118А (дизель Д-243).

Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики с использованием современных компьютерных программ.

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологические схемы предлагаемых устройств;

- математические модели процесса работы усовершенствованых дизельных ДВС МЭС за счет обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа и озонируемого пара на впуске и результаты их испытаний;

- математические модели нейтрализации ОГ ЭФ и ЖН и результаты их испытаний;

- математическая модель системы отвода ОГ из помещений и результаты ее испытаний;

- результаты производственной проверки предложенных устройств и результаты оценки технико-экономической эффективности предложенных усовершенствованных устройств по обеспечению экологической безопасности при работе дизельных ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и их достаточной сходимостью с

теоретическими данными, использованием действующих и новых разработанных методик, современной измерительной аппаратуры и разработанных новых экспериментальных стендов, обработкой экспериментальных данных с помощью компьютерных и математических программ.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практческих конференциях ФГБОУ ВПО РГАТУ, Рязань, 1988-2013 гг.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания», Кировский сельскохозяйственный институт, 1988 г.; региональной научно-практической конференции «Вклад молодых ученых и специалистов в интенсификацию производства и перестройку работы АПК», Казань, 1990 г.; в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете в 1988-1992гг.; на 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья в г. Чебоксары, 1998г.; Межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые технологии в учебном процессе и производстве», Рязанский институт МГОУ, 2004г.; Всероссийской научно-практической конференции «Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспективы», Ульяновская ГСХД, 2005г.; Межвузовской конференции «Конструирование, использование и надежность машин с/х назначения», Брянская ГСХА, 2006г.; «Инновации в области земледельческой механики». Международной научно-практической конференции, посвященной 140-летию со дня рождения В.П. Горячкина 2008г.; Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса» 20-21 октября 2009 г. ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2009г.; «Всероссийский конкурс на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ» 2009 г., номинация «Технические науки»; «Зворыкинский проект» программа Федерального агентства по делам молодежи, 2009 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развитая АПК», Уфа, 2011 г. Опытные макетные образцы тракторов оборудованных модернизированной системой питания, неоднократно демонстрировались на выставках НТТМ в г. Рязани.

Результаты исследований и хозяйственных испытаний используются в Рязанском тепличном комбинате «Солнечный», МУП «Рязанские городские распределительные сети», ГУЛ ПНО «Пойма» Луховицкий район Московской области, ОАО «Рыбновская сельхозтехника» Рыбновского района и Автодорсервис Клепиковского района, ООО «Агрофирма МТС «Нива Рязани» Пигеликская», ООО «Агроводдорстрой», ООО «Дорстройсервис», Сасовском дорожно-строительном предприятии «KAUF», ООО «Веста», ООО «Рязанский опьгшый ремонтный завод», СПК «Лакаш» Спасского района Рязанской области.

Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе и научной работе в ФГОУ ДПО «Коломенский инстшут переподготовки и повышения квалификации руководящих кадров и специалистов», ФГБОУ ВПО СПбГАУ, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства» (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии). ОАО «Проектный институт Рязаньагропромспецпроект» принял результаты исследований для внедрения при проектировании строений в АПК закрытого типа (животноводческие помещения, теплицы, склады и др.).

Результаты исследований по данной диссертации были доложены на заседании НТС министерства сельского хозяйства Рязанской области и министерства природопользования и экологии Рязанской области, одобрены и рекомендованы к широкому внедрению на предприятиях АПК.

Основные положения диссертации опубликованы в 51 научном труде, в том числе двух монографиях, в 11 научных работах в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, 15 патентах РФ на полезные модели.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность работы, основные положения, которые выносятся на защиту, дана ее общая характеристика.

В первой главе «Анализ способов и технических средств обеспечения экологической безопасности при работе МЭС с ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения» приведен анализ работ по исследуемой проблеме, рассмотрены факторы, определяющие микроклимат в помещениях сельскохозяйственного назначения, проведен обзор известных технических решений и исследований в данной области, сформулированы направления совершенствования системы питания ДВС МЭС (рисунок 1) для создания безопасных условий жизнедеятельности в помещениях сельскохозяйственного назначения.

На основе проведенного анализа работ В.А. Звонова, Б.И. Смайлиса, И.Л. Варшавского, В.А. Лиханова, C.B. Истомина, В.А. Стрельникова, Т.Ю. Саловой, С.Н. Девянина, И.Е. Либерова, Е.В. Лунина и других авторов сформулированы цель и задачи исследований.

Рисунок 1 - Схема направления совершенствования снижения токсичности ОГ ДВС

Во второй главе «Исследование процесса обогащения воздушного заряда сжиженным газом с целью снижения токсичности ОГ ДВС» дан теоретический анализ динамики состояния вентилируемой атмосферы теплицы при выполнении в ней энергоемких операций по обработке грунтов в теплице, время года - зима В частности определялась степень загрязнения воздушной среды атмосферы теплицы ВВ, содержащимися в ОГ ДВС МЭС.

В качестве объекта исследования были приняты типовые двухскатные теплицы площадью 1 га со средней их высотой Зм ОАО «Тепличный комбинат» Рязанской области. Всего комбинат располагает тремя тепличными блоками общей площадью 18 га.

В ходе исследований решались задачи по изучению воздухообмена в теплице с естественной вентиляцией и определялись соответствующими типовыми приборами температура воздуха, его относительная влажность, атмосферное давление, скорость движения воздуха, содержание в воздушной среде оксвдов азота, оксида углерода, суммы углеводородов.

Для представления динамики изменения концентрации ВВ в воздушной среде атмосферы теплиц нарабатывалась токсичная атмосфера, проводились соответствующие замеры, результаты которых представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Динамика изменения состояния атмосферы теплицы без вентиляции.

Наименование вредных веществ ПДК, мг/м'1 Концентрация , мг/м ' Превышение ПДК, раз Достижение ПДК при вентиляции, ч

до начала работы через 1 час работы после 3-х часов работъ

Оксиды азота 0,085 0,0004 0,273 0,906 10,7 6

Оксид углерода 5,000 0 6,5 14,020 2,8 2,4

Сумма углеродов 1,000 0 4,21 11,600 11,6 6

Из таблицы 1 следует, что при выполнении энергоемких механизированных работ в теплице естественная вентиляция не обеспечивает требуемый воздухообмен.

Возможность применения тракторов при работе в теплицах с различной степенью

интенсивности естественной ве!гтиляции выражается условием:

Ц»

где [С],- ПДК 1 - го вредного компонента в воздухе теплицы; В, - выделение 1 - го вредного компонента дизельным двигателем; Ое - объем воздуха, в котором распространяется В В, выделяемое двигателем в единицу времени.

Это выражение справедливо при допущениях: параметры воздушного потока и выделение ВВ существующим ДВС не изменяются во времени; скорость диффузии ОГ бесконечно большая во всех направлениях; ВВ ОГ распространяются в объеме равномерно. Концентрация ВВ в зоне загрязнения будет:

с = с„3- (2)

е. '

где В„ - количество ВВ, выделенного двигателем; С„ - начальное содержание ВВ в воздухе помещения.

Объем количества ВВ В„, выделяющегося при работе дизельного ДВС составит:

в»=сг-мг , (3)

где Сг- концентрация токсичного компонента в ОГ, г/м3; Мг - количество ОГ, м3.

Объем ОГ у четырехтактных ДВС без наддува можно определить по выражению:

Мг к(0,021...0,025)-/-1/Л-п , (4)

где 1 - число цилиндров двигателя; У/, - рабочий объем цилиндра; л - частота вращения коленчатого вала двигателя.

С учетом уравнений (3) и (4) выражение (2) примет вид:

с,4-0.021' ^" ^./¿[с] . ^

е» 11

где I - время работы трактора.

Выражение (5) справедливо при условии, что во время работы трактора отсутствует вентиляция помещения.

При выполнении энергоемких работ в теплицах (основная обработка почвы), как правило, трактор работает при открытых фрамугах, т.е. при функционирующей естественной вентиляции с определенной кратностью воздухообмена.

Полагая, что с момента начала работы трактора концентрация ВВ постепенно нарастает при одновременном выносе части ВВ вентиляционным потоком за пределы теплицы, скорость изменения концентрации ВВ в помещещга составит:

. (6)

л о

Скорость изменения количества ВВ в теплице прямо пропорциональна выносу этих веществ вентилируемым воздухом:

^ = . (7)

л

После соответствующих преобразований и решения уравнения получим:

, (8)

где В0 - выделение дизельным ДВС ВВ.

Подставим выражение (8) в уравнение (6), получим:

^ = . (9)

Л О

Проинтегрировав это уравнение при начальных условиях 1=0, С=С0 и преобразовав,

получим: о,о2Ю(>„ (10)

с = с.+--—=—(1—) . 4 1

°кд

и

Тогда условие использования дизельного двигателя без нанесения экологического ущерба в данном помещении при работающей вентиляции примет вид:

Ч 11

Так как существующий способ естественной вентиляции не гарантирует устойчивый воздухообмен, поэтому необходима разработка мероприятий по снижению токсичности ОГ дизельного ДВС.

При обосновании выбора количества присадки сжиженного газа, опираясь на научные труды Д. Н. Вырубова, А. И. Толстого, И. Е. Либерова, Л. Я. Орлова, учитывалась необходимость достаточного запаса теплоты для прогрева смеси.

Для облегчения воспламенения смеси необходимо иметь температуру воздуха равную температуре воспламенения (минимальной) при требуемой величине задержки воспламенения:

, (12) где минимальная температура воспламенения смеси; Тсм, Тт - соответственно

температура смеси в момент воспламенения и среды в момент впрыска топлива

Условие будет выполняться, если при впрыске топлива температура воздуха Твп не понизится до величины меньшей, чем ТттЫ=Тс„, вследствие расхода теплоты на нагрев, испарение и перегрев паров топлива.

Это условие можно записать:

, (13)

где теплота, сообщаемая воздуху и топливу от начала впрыска до начала его

воспламенения; ' потеРи теплоты на нагрев и испарение топлива, перегрев его паров и нагрев газовоздушной смеси.

Составляя баланс теплоты, сделаем следующие допущения: топливо, подаваемое в дизельный двигатель в период такта всасывания, нагревается за счет теплоты остаточных газов; основное топливо я«,,, поданное в период задержки воспламенения, состоит из однородных капель с некоторым средним диаметром и за период г > 0 полностью испаряется.

Нагрев, испарение топлива, а также перегрев его паров происходит за счет энергии сжатого воздуха.

Теплота, расходуемая на нагрев всего дополнительного топлива от начала впуска до конца периода нагрева:

. (14)

/доя ф доп _

™ > " соответственно время начала впуска и конца периода нагрева дополнительного топлива.

В первом приближении допускаем прямолинейный характер изменения температуры дополнительного топлива по времени, поэтому теплоту, идущую на нагрев, можно записать как:

0.Л"=9Л"СДГ;-Гг<,) , (15)

где Тго, Т[ - температура дополнительного топлива соответственно начальная и в конце периода нагрева.

Теплота, расходуемая на нагрев смеси дополнительного топлива с воздухом в процессе сжатия, определится из выражения:

!У'=о„А„{г;-:г„) , (16)

где Ссм - масса смеси; Ссм - средняя теплоемкость смеси.

Массу смеси можно подсчитать по выражению:

Ga,=q'~a*"l'(\ + r) , (17)

где а - коэффициент избытка воздуха смеси по дополнительному топливу; Ц- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива; J - коэффициент остаточных газов. Теплота, расходуемая на нафев газовоздушной смеси в процессе сжатия, будет равна:

Теплота, затраченная на прогрев основного топлива, которое впрыскивается за время

от начала впрыска до конца нагрева (начала испарения), составит:

ffi* ■ (19)

где /, / - соответственно время конца нагрева и начала впрыска. Аналогично, как и при определении gf", можно записать:

ег=<?г<(7Т-'г,») . (20)

где Тм Тж — соответственно температура капли основного топлива в начале и в конце

периода нагрева; С[ - теплоемкость паров основного топлива.

Температура испарения и перегрева паров основного топлива за время dt определится

из выражения: JQT =<V[J+С,(Г„-'0\ . (21)

где J - теплота парообразования топлива, являющаяся функцией температуры;

Т'_п - температура капли в рассматриваемый момент; С„ - теплоемкость паров топлива.

Так как: (22>

яТ"

то: dQT = <ЦГф+САТ„-Т1)]<и . (23)

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры среды, размера капель и copra топлива.

Обозначим: («0 = У+с.(Г_-о (24)

Тогда общее количество теплоты, поглощенной q"" за период испарения и перегрева

паров Г\ будет равно: ег-чГ-к)«'» (25)

с

Полагая, что функция линейная в виде <p(t) = a + bi и пренебрегая членами t2 ввиду их малости, окончательно выражение (24) примет вид:

0Г = ?Г-М'«,-С) (26)

С учетом принятых выше допущений условие воспламенения топлива при подаче двух видов топлив на базе общего баланса теплоты в цилиндре дизельного двигателя, начиная от начала подачи дополнительного топлива до момента воспламенения, составит:

а+е^-ег-о^го . (27)

Подставляя в выражение (27) определенные выше составляющие теплового баланса (19, 20, 24), получаем после преобразований:

Полученное выражение (28) есть условие воспламенения топлива при подаче двух видов топлива. Оно указывает на более благоприятные условия воспламенения при таком способе организации рабочего процесса по сравнению с обычным.

Условие управляемости процессом сгорания при подаче двух видов топлива с вводом присадки сжиженного нефтяного газа в среду остаточных газов будет:

(29)

(К-^Жг-с^ЛО+г^ *-> Выражение (29) позволяет установить границы максимально возможной управляемости процессом сгорания при подаче двух видов топлива.

Лабораторные исследования способа подачи двух видов топлива, как средства снижения токсичности ОГ тракторного ДВС проводились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рисунке 2.

а

¡-блок приборов для контроля за техническим состоянием двигателя; 2-осциллограф катодный С-1-19; 3-устройство стробоскопическое; 4-усилитель ПШС-10; 5-пьезодатчик давления газов; 6-насос топливный высокого давления НД-21/2; 7- усилитель тиратронный; 8-двигатель Д-21А; 9- бак топливный, 10-весы ВНЦ; 11-кран трехходовой; 12- индикатор МАИ-2; 13-рама; 14-основание; 15-стойка; 16-стойка балаисирная; 17-стенд тормозной постоянного тока САК-670; 18-тахометр механический центробежный ТМ-3; 19-пульт управления; 20-ресивер воздушный с роторными счетчиками РС-100; 21-баляон газовый; 22-счетчик газовый ГКФ-400; 23-редуктор газовый понижающий; 24-термометр; 25-шкаф электрический; 26-датчик начала подъема иглы форсунки; 27-дозатор-смеситель газа; 28-пробоотборник отработавших газов; 29-сажемер и дымомер ЛАНЭ; 30-вал карданный Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки

Программой исследований предусматривалось выявление путем сравнительных испытаний влияния предложенного способа и схемы системы подачи двух видов топлива на эффективные и токсичные показатели тракторного дизельного двигателя.

Результаты испытаний (рисунок 3) представляют собой совмещенные нагрузочные характеристики, снятые при определенных подачах сжиженного газа. Присадка газа особенно эффективна при номинальных нагрузках и перегрузках двигателя.

Установлено, что подачу сжиженного газа необходимо производить, когда нагрузка приближается к номинапьной или составляет 60-70% от нее. При более низких нагрузках подача газа не улучшает состав ОГ, а ведет к лишнему расходу газа и увеличению содержания в ОГ ТВ.

Рисунок 3 - Влияние величины присадки газа на концентрацию оксидов азота (ЫОх) и сажи (Сж)

Поэтому при разработке схемы газоподающей аппаратуры (Патент РФ на полезную модель № 122710) (рисунок 4) учитывались эти условия. Питание двигателя 13 газом осуществляется из баллона 1 с понижающим редуктором 10, соединенного газопроводом 2 с электромагнитным клапаном 3, который открывается выключателем 6, соединенным с источником питания 4, его включенное состояние контролируется сигнальной лампой 5. Подачу дизельного топлива обеспечивает топливный насос высокого давления 11 по топливопроводу 14 к форсунке 12.

1-работа на дизельном топливе;

2-присадка газа 0/=0,274 кг/ч;

3-присадка газа О/-=0,754 кг/ч;

4-присадка газа С/=0,910 кг/ч;

5-присадка газа Ог = 1,030 кг/ч.

т

Рисунок 4 - Схема модернизированной системы питания дизеля Д-21А

От электромагнитного клапана газ поступает к газовому корректору 9, а затем в дозатор - смеситель 8, установленный на впускном трубопроводе 7 двигателя..

Включение и выключение подачи газа осуществляется газовым корректором автоматически, в зависимости от нагрузки (Патент РФ на полезную модель №123466) (рисунок 5).

Корректор устанавливается на крышке корпуса регулятора топливного насоса Штифт 5 упирается нижним концом на верхний торец толкателя корректора 2, а верхним концом упирается в игольчатый клапан. В полости А установлена пружина 12, усилие которой регулируют прокладками штуцера 11, ввернутого в верхний торец корпуса 8. Полость А через штуцер, трубопровод и электромагнитный клапан сообщается с понижающим редуктором и далее с газовым баллоном. Полость Б через трубопровод, подсоединенный к штуцеру, сообщается с впускным коллектором двигателя. При снижении скоростного режима двигателя из-за роста нагрузки в работу вступает корректор. Корректор увеличивает подачу основного дизельного топлива и одновременно с помощью толкателя 2 и штифта 5 плавно открывает игольчатый клапан 10. Расход газа плавно возрастает при увеличении нагрузки. Газ из баллона через редуктор поступает в полость А, а затем в полость Б, из которой - во впускной трубопровод двигателя.

Рисунок 5 - Общая схема газового корректора

Проверка эффективности метода снижения токсичности ОГ обогащением воздушного заряда дизельного двигателя присадкой сжиженного газа проводилась путем моторных стендовых испытаний двигателя в специализированной лаборатории.

Данные, представленные на рисунке 6, получены при работе двигателя на номинальной мощности 18,4 кВт, при номинальном - 1800 мин"' скоростном режиме. При расходе газа обогатителя 0 кг/ч двигатель работает на дизельном топливе.

Из результатов испытаний следует, что подача газа в количестве 1,12 кг/ч обеспечивает снижение одного из самых токсичных компонентов ОГ - сажи в 3,24 раза по сравнению с работой на дизельном топливе, оксидов азота на 14%, оксида углерода на 4%.

1 - пружина всережимкого регулятора;

2 - толкатель;

3 - задняя крышка корпуса насоса;

4 - корпус корректора;

5 - штифт;

6 - пружина корректора;

7 - винт регулировочный;

8 - корпус газового корректора;

9 - корпус седла клапана;

10 - игольчатый клапан;

11 - штуцер;

12 - пружина клапана;

13 - седло клапана;

14 - уплотнительное кольцо;

15 - шток корректор

и,

Дальнейшее увеличение подачи газа ведет к возникновению в двигателе Д-21А детонационного сгорания.

Производственная проверка эффективности работы газолодающей аппаратуры была проведена в помещениях теплиц ОАО «Тепличный комбинат» (рисунок 7).

Из данных (рисунок 7) следует, что после трех часов непрерывного выполнения основной энергоемкой операции по обработке тепличного грунта машинно-тракторным агрегатом (МТА) (трактора Т-25А с модернизированной системой питания и роторного копателя КР-1,5), при отключенной естественной вентиляции, концентрация ТВ в атмосфере тегатицы уменьшилась по оксидам азота на 31 %, оксиду углерода на 40% и сумме углеводородов на 39%.

Рисунок 6- Результаты стендовых моторных испытаний двигателя Д-21А

Рисунок 7 - Изменение концентрации ВВ при выполнении энергоемких работ Таким образом, предложенный и реализованный способ снижения токсичности обогащением воздушного заряда на впуске присадкой из сжиженного газа позволяет значительно понизить токсичность ОГ ДВС Д-21 А.

В третьей главе «Влияние рабочего процесса пароозонирующего устройства на снижение токсичности и дымности ОГ дизельного ДВС» представлена конструктивно-технологическая схема системы для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением на рисунке 8.

При работе дизельного двигателя б на штатной системе питания топливо из топливного насоса 12 под давлением поступает по топливопроводу 14 в форсунку 15 и далее впрыскивается в цилиндр (на рисунке не показан) двигателя б (Патенты РФ на полезные модели № 47448 и № 51120).

Рисунок 8 - Система подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор

Воздушная смесь, для воспламенения топлива поступает в цилиндр дизельного двигателя 6 через воздухоочиститель, приемный патрубок А устройства для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением 4 имеет эжектор (рисунок 9) и впускной коллектор 5. При замыкании электрической цепи включателем 8, оснащенной источником электрического питания 7, в работу вступает корректор-включатель 10, что контролируется сигнальной лампой 9. С рост ом нагрузки снижается скоростной режим дизельного двигателя 6, срабатывает центробежный регулятор 11 топливного насоса 12 высокого давления. Корректор-включатель 10 автоматически замыкает электрическую цепь электромагнитного парового клапана 3 и излучателя В устройства 4 для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением. Водяной пар из парогенератора 1 по паропроводу 2 через открывшийся электромагнитный клапан 3 поступает в приемный патрубок А устройства 4 для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением, где смешиваясь с воздухом, пар подвергается обработке ультрафиолетовым излучением, поступающим от излучателя В. Далее облученная паровоздушная смесь по впускному коллектору 5 поступает в цилиндр двигателя 6. При воздействии ультрафиолетовым излучением на паровоздушную смесь, происходит активирование молекул кислорода, имеющихся в этой смеси. Это приводит к увеличению полноты сгорания смеси,

Воздух

приготовленной в цилиндре двигателя, при более ровной волне горения. В связи с этим снижается токсичность ОГ дизельного ДВС.

Расчет основных параметров эжектирующего устройства проводится по следующим показателям.

Площадь выходного сечения сопла:

Р^ с. , (29)

где С; - количество рабочего газа (водяного пара), кг/ч; р, - плотность рабочего газа (водяного пара), кг/м3; - скорость эжектируемого рабочего газа, м/с. Площадь начального сечения диффузора:

^ = , (30)

где т/ ~ 2(1 + и)2 уравнение эжектирующего устройства для участка струи от сопла до места соприкосновения со стенкой диффузора.

ВОЗДУХ

\\

\ ¡

1. 5 /

■т

СМЕСЬ ПАРО-ВОЗДУШНАЯ

1, 2 — соответственно активное и пассивное сопла жиклера подачи водяного пара; 3 - входное сечение диффузора; 4 - струя водяного пара; 5 - диффузор; F2 - площадь

кольцевого сечения пассивного сопла; Di - диаметр активного сопла;

Оз, D<¡ - соответственно диаметры входного и выходного сечения диффузора; L - вынос рабочего (активного) сопла относительно входного сечения диффузора (заштрихована область условной камеры смешения); h - расстояние до места соприкосновения струи со стенками диффузора; |2 - длина диффузора; <р - угол раскрытия диффузора; у - угол схождения камеры смешения; Pi„, Ti„, vi„ - начальное давление, температура и скорость водяного пара; Р1в, Т1в, vIb - начальное давление, температура и скорость воздуха; Р2(;м, Тзсм, V2cM - давление, температура и скорость паровоздушной смеси.

Рисунок 9 - Схема эжектирующего устройства и условные обозначения

Площадь конечного сечения диффузора:

= (31)

где угол раскрытия диффузора.

Расстояние от сопла до места соприкосновения расширяющейся эжектирующей струи со стенками диффузора определим по уравнению:

// = 0/[4(1 + и>~ 1,8], (32)

где и = - коэффициент эжекции.

Расстояние от сопла до входа в диффузор (вынос рабочего сопла):

1=1,- 0,50з . А,-А

Длина диффузора равна:

(33)

(34)

2^/2

Лабораторные исследования проводились в лаборатории испытаний автотракторных двигателей ООО «Рязсельхозтехника» по структурной схеме, представленной на рисунке 10. Объектом исследований был четырехцилиндровый дизельный двигатель Д-243 Минского тракторного завода.

с

днзтопливо

ПАР ВОДЯНОЙ

ДНЗ: ТОПЛИВО

ДИХГОПЛИВО

ПАРОВОЗДУШНАЯ {О&ЛУЧЕННЛЯ)

ПРЕДЕЛЫ РЕГУЛИРОВКИ КОМПОНЕНТА ОБОГАТИТЕЛЯ

(КОЛИЧЕСТВО ПОДАЧИ. ИНТЕНСИВНОСТЬ ОБЛУЧЕНИЯ} (*>)

0 | » | * | 75 | 100

1

) ОгЮв [

I От^Оп |

I С-гЮво!

I

"41

[ РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ [

НАГРУЗОЧНЫЕ- ХАРАКТЕРИСТИКИ

СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОКАЗАТЕЛИ

[ЭФФЕКТИВНОСТИ | СОСТАВЛЯЮЩИХ ОГ | 1-1-

й й й йбйТ-ЬйЙЙ ^ЖЙ ¿1

Рисунок 10 - Структурная схема экспериментальных исследований

В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены математические модели зависимости концентраций токсичных компонентов ОГ от количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения: - для оксида углерода: СО% = 99,9989 - 3,0483С„ +8,803>г-0,000ю£ +0,0003С„Ж-0,002»'2. (35)

-для УГЛевоДОрОДОВ:сЯ% = Ю0+0,248С„-2,б933И' + 8,807£-15О^-7,2782£-14<3„И'-4,9183£-13Ж!-

-для оксидаазота: ЛГО,% = 99,9986-6.352ю„+16,6236^-и,0858я-|405+2,7877£-150„^-0,0051»'=. ^7) -для сажи: саяаг% = 100 + 0,87720„-59,8667г -1,9908£,-150^+2,9631£-мо„и'+4.9738я-14»" ^зд

Снижение концентраций оксидов углерода и азота зависит от увеличения количества подачи водяного пара при одновременном уменьшении мощности потока ультрафиолетового излучения. Для снижения концентраций углеводородов и сажи в ОГ требуется уменьшение подачи водяного пара и увеличение мощности потока ультрафиолетового излучения. При номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя (п„о„=2200 мин"') минимальное содержание оксидов углерода и азота в ОГ (СО= 1,01 мг/л, ЫОх=2,16 мг/л) соответствует максимальному количеству подачи водяного пара (0„=6,612 м3/ч) и минимальной мощности потока ультрафиолетового излучения (\У=0,01 кВт), содержание углеводородов и сажи (СН=0,02975 мг/л, сажа=0,092 мг/л) соответствует минимальному количеству подачи водяного пара (0„=0,00! м3/ч) и максимальной мощности потока ультрафиолетового излучения (\У=1,500 кВт).

Из анализа вышесказанного, учитывая степень воздействия на человеческий организм токсичных веществ и их класс опасности, оптимальными величинами для дизельного двигателя Д-243, с целью снижения токсичности его ОГ в целом, следует считать количество подачи водяного пара в размере 4,959 м3/ч и мощность потока ультрафиолетового излучения, эквивалентную 1,125 кВт.

Производственная проверка осуществлялась на базе МУП «Рязанские городские распределительные электрические сети» в двух типовых складских помещениях общим объемом 62208 м3.

Установлено, что концентрация ВВ в атмосфере складского помещения после 4 часов непрерывного выполнения основных энергоемких операций по транспортировке и укладке груза универсальным самоходным автопогрузчиком модели 4045Р с модернизированной системой питания при неработающей естественной вентиляции уменьшилась. Концентрация ТВ в атмосфере закрытого помещения уменьшилась по оксиду углерода на 5,2%, сумме углеводородов - 1,8%, оксиду азота - 12,8% и по саже на 63%.

В четвертой главе «Исследование устройства по очистке отработавших газов от сажи с помощью электрического фильтра на выпуске дизельного двигателя» проведен анализ конструкций ЭФ, в результате которого выявилось два фактора, оказывающие большое влияние на эффективность очистки ОГ от сажевых частиц:

— быстрое загрязнение сажей поверхности коронирующих электродов и электроизоляторов, что приводит к нарушению режима горения коронного разряда;

- вторичный унос значительной части сажевых частиц с поверхности осадительного электрода потоком ОГ двигателя.

С целью устранения этих недостатков была разработана конструкция ЭФ (Патенты РФ на полезные модели № 56964 и № 56965), схема которой представлена на рисунке 11.

11. № й. М.

1 - корпус фильтра;

2 - направляющая ось;

3 - металлическая путанка;

4 — подвижный стакан;

5 - диэлектрическая пластина;

6 — направляющая;

7 - очиститель сажи;

8 - некоронирующий электрод;

9 - диэлектрическая втулка;

10 — источник высоковольтного питания;

11 - диэлектрическая втулка;

12 - болт;

13 — выпускной канал;

14 -большой сажесборник;

15 -малый сажесборник;

16-диэлектрическая шайба; 17-уплотнительная прокладка; 18-планка; 19 - пружина; 20-коронирующий электрод; 21 - перегородка; 22 - впускной канал Рисунок 11 - Схема электрического фильтра

Устройство работает следующим образом. ОР через впускной канал 22 поступают в ЭФ. Ввиду того, что напротив впускного канала установлены поперечная перегородка 21 и подвижный стакан 4 происходит снижение скорости ОГ двигателя на участке горения коронного разряда, что является условием для эффективного протекания процесса электрической зарядки частиц сажи. При подаче высокого напряжения к коронирующим электродам 20 между ними и некоронирующими электродами 8 зажигается коронный разряд, в результате чего межэлектродный промежуток будет заполнен отрицательно заряженными ионами газа. ОГ двигателя ионизируются в поле отрицательной короны, т.е. частицы сажи приобретают отрицательный заряд (вследствие адсорбции на них отрицательных ионов). Это обусловлено тем, что подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных.

В результате частицы получают положительный заряд некоронирующего электрода, отталкиваются от него и возвращаются в поток ОГ. С потоком ОГ заряженные сажевые частицы поступают в зону выпускного канала 13, где последовательно проходят через большой 14 и малый 15 сажесборники. Такое расположение сажесборников способствует более полному улавливанию сажи, так как поток газов при выходе в атмосферу совершает разворот на 360°, тем самым прижимая своей струей осевшие частицы сажи к торцевым перегородкам сажесборников. Учитывая, что большой сажесборник 14 подключен к положительному полюсу, а малый сажесборник 15 к отрицательному полюсу источника 10 высоковольтного питания, частицы сажи, имеющие противоположный заряд по отношению к потенциалу сажесборника, осаждаются на его поверхности, а очищенные ОГ двигателя через выпускной канал 13 выходят в атмосферу.

Для обеспечения наибольшей эффективности процесса электрической зарядки и осаждения сажевых частиц скорость потока ОГ через активную зону ЭФ не должна превышать 2,5 м/с.

На рисунках 12 и 13 показаны зоны зарядки и осаждения сажевых частиц соответствен! га.

i l 5 "Л —13,

1 - впускной канал электрофильтра;

2 - корпус электрического фильтра;

3 - некоронирующий электрод;

4 - перегородка; 5 - коронирующий электрод.

Рисунок 12 - Зона электрической зарядки сажевых частиц в ЭФ

1 - коронирующий электрод; 2- малый сажесборник; 3 - большой сажесборник;

4 - выпускной канал электрофильтра;

5 - корпус электрофильтра.

Рисунок 13 - Зона осаждения сажевых частиц в ЭФ

Общая площадь активной зоны ЭФ будет равна:

S, =

Як

v;,г

(39)

где Q' ог - максимальный расход ОГ через ЭФ, м3/с; Vor - необходимая скорость потока ОГ двигателя через ЭФ, м/с.

Учитывая, что в конструкции ЭФ предусмотрена установка двух зон зарядки сажевых частиц, внутренний диаметр некорон ирующего электрода Di будет определяться как:

(40)

Для полной зарядки частиц сажи необходимо, чтобы последние находились в активной зоне ЭФ не менее 0,1 с. При этом длина и диаметр некоронирующих электродов соответственно составят:

¿ = (41)

-Ух -о.

d = •

10 L

(42)

где / -время пребывания ОГ в активной зоне ЭФ, с.

Диаметр малого сажесборника £>3 определяется как:

£>3 = Д,-2(С2+Й), (43)

где к - необходимый зазор между поверхностью некоронирующего электрода и малого сажесборника.

Общая площадь осадительных электродов будет:

- (2жОгь) ,

Глубина сажесборников / с учетом, что D3 = 0,5 £)4 составляет.

/ «Д'-ЗяО.' . (45)

12лй„

Величина потока ионов к единице поверхности частицы, определяющая процесс зарядки, может быть подсчитана из следующего уравнения:

лы -

= кЕЫ - , (46)

ск

где Ы„ - число ионов, попадающих на единицу поверхности частицы, м~2; Е-напряженность электрического поля у поверхности частицы, В/м; N - концентрация ионов, ион/м3; X-коэффициент диффузии, м2/с; 1„ - единичный вектор; к - подвижность ионов, м2/(Вс).

Учитывая, что сажевые частицы имеют малое удельное сопротивление, выражение зарядки примет вид:

лкЫ а1т

Я = Чи --- ... , • (47)

Лле 0 + лкЫ 01т

где г - время зарядки частиц, е.; Ы(> - начальная концентрация ионов коронного разряда, ионы/м3; / - величина заряда электрона, К; дм - максимальный заряд частицы сажи, К; £о -диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м.

Напряженность электрического поля, необходимая для возникновения коронного разряда в активной зоне ЭФ, в функции от расстояния X по радиусу от коронирующего электрода будет определяться как:

" ~ (48)

2 i0 «.V

Axs 0к L 1 ^ J J L " - J

E.v =

где i/> - линейная плотность тока, А/м; Ri — радиус коронирующего электрода, м; Ео -критическая напряженность поля, В/м.

Линейная плотность тока коронного разряда в ЭФ:

---г--" ("-".,). (49)

9 -Ю'Д.Мп -i Л,

где U — напряжение питания электродов фильтра. В; Rj — радиус некоронирующего электрода, м;Uo- критическое напряжение, В.

Электрическая мощность, потребляемая ЭФ, будет определяться:

Р = "Jo- •*» •cos»' , р , (50)

1,41 т]1

где Um - амплитудное значение напряжения, кВ; !сг - среднее значение тока, потребляемого ЭФ, А; кф - коэффициент формы кривой тока; г]э - КПД высоковольтного блока питания ЭФ; 1,41 - коэффициент перехода от амплитудного значения напряжения к эффективному; Pi - мощность, потребляемая вспомогательными устройствами ЭФ, кВт. Потери мощности на ЭФ определяются следующим выражением:

Nm = Qu'-H.-pr-g , (51)

где Q'm - максимальный расход ОГ двигателя, м3/с; Н„ - суммарные потери напора ОГ, м.г.ст; pi— средняя плотность ОГ, кг/м3.

Суммарные потери напора газового потока в ЭФ составят:

На Рг) 2г

где а- коэффициент неравномерности распределения скоростей струй ОГ по сечению; Увх, Увьа- - соответственно скорости ОГ на входе и выходе из ЭФ, м/с; £ А1-2 - сумма гидравлических потерь напора ОГ между сечениями 1-2. Суммарные гидравлические потери определяются как:

, + + + (53)

где 1тр - длина трубы некоронирующего электрода, м; £>2 - диаметр некоронирующего электрода, м; - скорость ОГ через активную зону ЭФ, м/с; £вп , 4иып - коэффициенты гидравлического сопротивления в зоне впускного и выпускного каналов ЭФ соответственно; Л - коэффициент гидравлического трения ОГ в ЭФ.

Лабораторные исследования проводились на базе лаборатории испытаний тракторов и автомобилей ФБГОУ ВПО РГАТУ. При проведении испытаний загрузка двигателя трактора Т-25А осуществлялась через трансмиссию беговыми барабанами диагностического стенда КИ-8927. В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены математические модели определяющие зависимость дымности ОГ (С) от величины высоковольтного напряжения питания ЭФ, а также величины общего тока потребления (1): -режим максимальной мощности двигателя:

С = 30,6311+0,4217Ц - 31,76671 + 0,0011 и2 - 0,25 и I + 52,3333 ? ; (54)

- режим максимального крутящего момента двигателя:

С = 46,7289-0,2423 11-55,21+0,0143 02+0,665 1Л+ 52,6667г2 ; (55)

- режим максимальной мощности двигателя:

J = 14,3789 - 1,50071) - 1,0667 I + 0,0497 II2 + 0,215 и 1 - 5,3333 I2 ; (56)

- режим максимального крутящего момента двигателя:

^ 14,9922 - 1,5527 и-2,8167 1 + 0,0525 и2 + 0,015 и I +6,1667 I2. (57)

Производственная проверка разработанной системы очистки проводилась в тепличных блоках ОАО Рязанский тепличный комбинат «Солнечный» и в ООО «Автодорстрой» города Рязани. В период производственной проверки на один из тракторов универсального типа семейства Т-25А (рисунок 14) была установлена система очистки ОГ, состоящая из опытного образид ЭФ и блока высоковольтного питания. Результаты замеров концентрации исследуемых ТВ сравнивались с аналогичными показателями воздушной среды теплицы при работе трактора со штатной системой выпуска.

Результатам производственной проверки разработанной системы очистки ОГ дизельного двигателя показали, что концентрация ТВ в атмосфере теплицы снизилась по саже на 22,4, бенз(а)пирену на 18 %, а сумме углеводородов на 14 %, что характеризует значительное снижение содержания ТВ в атмосфере теплиц

1 - тумблер включения; 2 - провод питающий; 3 - штатный глушитель фактора; 4 - кронштейн крепления ЭФ; 5 - опытный образец ЭФ; 6 - провод высоковольтный; 7 - блок высоковольтного питания; 8 - опытный МТА; 9 - лампа сигнализации включения системы очистки ОГ

Рисунок 14 - Производственный машинно-тракторный агрегат на базе трактора Т-25А

В пятой главе «Исследование жидкостного нейтрализатора отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания» представлена конструктивно-технологическая схема устройства для очистки ОГ дизельных ДВС (рисунок 15) (Патенты РФ на полезные модели № 77353, №83292, № 86665).

,4

14-резисторная сборка; 15-ключ; 16-

I - датчик положения коленчатого вала; 2,17 - времязадающие цепи;

3 - металлические трубки для подачи нейтрализующего раствора;

4 - выхлопной коллектор;

5 - аэрозольная камера;

6 - датчик положения регулятора; 7 - форсунки; 8 - бак с нейтрализующим раствором;

9- жидкостной насос;

10-эжектор;

II - центробежный каллеуловитель; 12—ЖН; 13 - блок ключей;

источник тока; 18 - интегральный блок таймер; 19 - ЭБУ

Рисунок 15 - Схема устройства для очистки ОГ дизельных ДВС

Устройство работает следующим образом. ОГ от дизельного ДВС поступают из выхлопного коллектора во впускной патрубок аэрозольной камеры. Проходя через конический завихритель во впускном патрубке поток газа приобретает направленное вращательное движение. Затем вихревой поток проходит обработку нейтрализующим раствором форсунками 7, установленными радиально в корпусе аэрозольной камеры 5. Впрыск аэрозоли осуществляется синхронно с частотой работы двигателя и регулируется электронным блоком управления 19.

Одновременный впрыск эмульсии тремя форсунками 7 придает дополнительный вращательный импульс движущемуся потоку. Процессы улавливания, химического связывания и нейтрализации токсичных компонентов и сажевых частиц, содержащихся в ОГ, совершаются при непосредственном контакте между выходящими ОГ и мельчайшими каплями нейтрализующего раствора, разбрызгиваемого форсунками 7 аэрозольной камеры 5, посредством чего достигается увеличение поверхности их контакта, что позволяет осуществить заданное изменение состояния ОГ в объеме, ограниченном аэрозольной камерой 5, в течение малого промежутка времени. Процесс осаждения сажевых частиц и токсичных веществ на каплях жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой скоростью движения частиц жидкости и сажи в корпусе и выпускном патрубке аэрозольной камеры. Эффективность осаждения в значительной степени зависит от равномерности распределения жидкости, подаваемой форсунками 7, по сечению аэрозольной камеры 5.

По окоЕтчании обработки ОГ выводятся из корпуса 5 аэрозольной камеры через выпускной патрубок и эжектор 10, смешиваясь с атмосферным воздухом, поступают во впускной патрубок центробежного каллеуловителя 11. Проходя через конический завихритель двухфазный газожидкостный поток приобретает направленное вращательное движение. При этом жидкая фаза и уловленные ею посторонние не газообразные примеси под действием центробежных сил сепарируются на внутренней стенке корпуса центробежного каллеуловителя 11, а пар и очищенный газ поступают в выпускной патрубок. Жидкая фаза в виде тонкой пристеночной пленки продвигается по корпусу центробежного каллеуловителя 11 и попадает в полость между выпускным патрубком и корпусом 11 и удаляется через трубу для отвода жидкости. Очищенная газовая фаза выводится через выпускной патрубок в атмосферу.

Для компенсации недостаточной степени очистки ОГ при работе двигателя в режиме повышенной нагрузки времязадающая цепь 2, определяющая продолжительность нахождения форсунки в открытом состоянии, содержит потенциометрический датчик положения регулятора 6 топливного насоса. Ползунок датчика 6, жестко связанный с основным рычагом регулятора, при его перемещении, в случае возникновения перегрузки, изменяет сопротивление датчика 6 и всей времязадающей цепи 2, за счет чего блок-таймер 18 увеличивает время нахождения форсунки 7 в открытом состоянии и, как следствие, увеличивает количество поступающего в единицу времени нейтрализующего раствора.

Суммарные гидравлические потери в аэрозольной камере (рисунок 16) можно выразить следующим образом:

2 g 2 g а 28

Суммарные гидравлические потери в центробежном каплеуловителе (рисунок 17) составят: = , (5У)

где а - коэффициент неравномерности распределения скоростей струй ОГ по сечению; У„ - скорость потока ОГ в соответствующем сечении камеры, м/с; X - коэффициент гидравлического трения ОГ.

Суммарные гидравлические потери в аэрозольной камере при подаче в нее орошающей жидкости составят:

, (60) где ^ 1г 2 - суммарные гидравлические потери в сухой аэрозольной камере, Па; ДА - гидравлическое сопротивление аэрозольной камеры при подаче в неё орошающей жидкости, Па.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное орошающей жидкостью, рассчтывается по формуле:

где коэффициент гидравлического сопротивления, обусловленный вводом жидкости;

т - удельный расход орошающей жидкости.

Внутренний диаметр рабочей зоны аэрозольной камеры 02:

Л-Л

(62)

и

Рисунок 16 - Схема для расчета суммарных гидравлических потерь в аэрозольной камере

Рисунок 17 - Схема для расчета суммарных гидравлических потерь I центробежном каплеуловителе

Длина аэрозольной камеры составит:

£ = >

где I —время пребывания ОГ в активной зоне ЖН, с.

Площадь активного сечения сепарационной камеры центробежного каплеуловителя ЖН

Ф):

^ = %- , (64)

^пгъ

где У'огз- скорость потока ОГ в сепарационной камере, м/с. Длина сепарационной камеры определяется:

/,=2,5-о, . (65)

Расход ОГ при работе дизельного ДВС на режиме номинальной мощности будет:

^ 22,4-0,-М, (66)

3600

Общее количество продуктов сгорания М2 1 кг дизельного топлива составит:

(67)

4 32

Расход топлива двигателем трактора определяется:

Сг = К„-г,-1<Г3 - (68)

Потребное количество нейтрализующего раствора составит:

О =22-4 Ъ-Мъ-к^ т

3600

где Кр.ра - безразмерный коэффициент, отражающий пропорциональность между количеством ОГ и потребным для его очистки объемом нейтрализующего раствора. Произведя необходимые преобразования, получим:

^ = 3,73-10 . (70)

Подставив значение М3 из формулы (67) в выражение (70) получим расход нейтрализующего раствора:

б™ = 3,73-10-'.^.^-(а-^ + ^-а.). (71)

Для определения параметров сепарации токсичных компонентов и сажевых частиц в центробежном каплеуловигеле представим поток ОГ в виде двухкомпонентного газа: самого газа и «сажевого газа», состоящего из конгломератов сажевых частиц. Частицы сажи имеют диаметр <1 и плотность Предполагая, что «сажевый газ» подчиняется законам кинетической теории газов, запишем вязкость «сажевого» газа:

. (72)

где и — средняя скорость движения частицы, м/с. Масса частицы сажи щ равна:

т = . (73)

6

Численная концентрация сажевых частиц будет равна:

и„ = - . (74)

т

Средняя длина свободного пробега сажевой частицы с учетом распределения по относительным скоростям соударяющихся частиц будет:

я = (75)

в^Гг

Эффективная площадь еажевой частицы при столкновении:

Рассмотрим движение частицы в анизотропном по вязкости закрученном двухфазном газосажевом потоке. Вязкость среда, в котором в осевом и тангенциальном направлениях равна вязкости чистого газа (рисунок 18). Для радиального направления сепарации частиц сажи ее вязкость равна вязкости двухфазной газо-сажевой среды "Ри этом ^ Движется поступательно вдоль оси у и вращается.

Рисунок 18 - Силы, действующие на частицу сажевого газа

Профиль тангенциальной скорости газа иг в случае потенциального безвихревого движения подчиняется уравнению: С/ -/?"=< ,

где п - показатель степени (0,3-0,7); (- константа; И - радиус сепарационной камеры, м. На частицу «сажевого газа» действуют следующие силы:

- центробежная сила: = ; ^^

- сила тяжести: С = /и-£ ;

- сила сопротивления при движении в газовой среде в тангенциальном направлении:

- сила сопротивления при движении в газовой среде в осевом направлении:

- сила сопротивления при движении в газовой среде в радиальном направлении:

где к,5 - коэффициент формы частицы; и, XV, V - соответственно тангенциальная, осевая и

радиальная компоненты скорости частицы, м/с.

Уравнение для осевой скорости сажевых частиц в проекции на диаметральное сечение

улавливающего устройства:

¡У =а±^М.-,.с-ехр(-/>г) . (»>

ь

Представленные формулы необходимы для обоснования устройства снижения токсичности ОГ.

Лабораторные исследования устройства снижения токсичности ОГ дизельного двигателя трактора проводились на базе лаборатории испытаний тракторов и автомобилей автодорожного факультета ФГБОУ ВПО РГАТУ. По результатам исследований построены графические зависимости и получены математические модели, определяющие расход нейтрализующего раствора от расхода топлива и степени очистки ОГ для каждого из токсичных компонентов (рисунки 19,20).

Рисунок 19 - Зависимость расхода нейтрализующего раствора от расхода топлива и степени очистки ОГ от оксидов азота

О ,смъ/ ) = 298,932 + 4,0726Л/-2 1681«; + 0.0127М2-0.0146^+ 0.004;;,2

Мр-реУ /ми„>

Рисунок 20 - Зависимость расхода нейтрализующего раствора от расхода топлива и степени очистки ОГ от углеводородов

В результате лабораторных исследований установлено, что процесс нейтрализации ТВ ОГ дизельного ДВС в ЖН зависит от эффективного орошения потока ОГ нейтрализирующим раствором, состоящим на 85% из воды НгО, в качестве абсорбирующих

компонентов в его состав включены водный раствор Ыа2С03 в количестве 14,5% по объему и 0,5% 1,4-дигидроксибензола (гидрохинона) СбШ(ОН)2. Это обеспечивает коагуляцию капель нейтрализирующего раствора и сажевых частиц в более крупные образования; перехода газообразной фазы в жидкую, при промежуточном понижении температуры ОГ и сепарации нейтрализирующего раствора, ТВ и сажевых частиц. Установлена прямая зависимость между потребным количеством нейтрализирующего раствора, количеством ОГ, количеством и составом топлива, подаваемого в цилиндр, средний расход нейтрализирующего раствора -20...40 см3/мин.

Производственная проверка работоспособности устройства для очистки ОГ дизельного две и оценка эффективности его внедрения проводилась в ОАО «Рязанский тепличный комбинат «Солнечный».

На трактор Т-30 было установлено разработанное устройство для очистки ОГ дизельного ДВС (рисунок 21). При этом он выполнял различные транспортные работы по вывозу растительных остатков и завозу свежего фунта в теплицу.

1 - выпускной коллектор, 2 - аэрозольная камера ЖН, 3 - бак для утилизации отработавшего нейтрализующего раствора, 4 - центробежный каплеуловитель, 5 - гофрированный шланг с электрической проводкой, 6 - шланги для подвода нейтрализующего раствора, 7 - шланг для отвода отработавшего нейтрализующего раствора из корпуса центробежного каплеуловителя, а- общий вид, б - вид снизу.

Рисунок 21 - Жидкостной нейтрализатор для очистки ОГ дизельного ДВС

В шестой главе «Система удаления отработавших газов двигателей внутреннего сгорания из помещений сельскохозяйственного назначения» даны описания конструктивно-технологических схем устройства для отвода ОГ ДВС за пределы помещения с разбавлением их окружающим воздухом при прямолинейном (рисунок 22) (Патент РФ на полезную модель №33979) и непрямолинейном (Патент РФ на полезную модель №26596) движении трактора.

Перед началом работы в помещении газоприемную каретку с камерой смешения и эжектором устанавливают на выхлопной патрубок двигателя трактора Затем при движении внутри помещения газоприемную каретку вставляют в приемную часть в виде раструба газоотводящего воздуховода. Для создания разрежения в газоотводящем воздуховоде тракторист включает вентилятор, вследствие чего уттлогнительные элементы плотно соединяются друг с другом. Трактор движется вперед совместно с газоприемной кареткой по газоотводящему

воздуховоду, раскрывая при этом упругие уплотнительные элементы с помощью муфты эллипсовидной формы, установленной на патрубке. ОГ от ДВС трактора проходят через эжектор, смешиваясь с воздухом в камере смешения, тем самым охлаждаясь, поступают в газоотводящии воздуховод, отсасываются вентилятором и выбрасываются в атмосферу. По окончании технологической операции уплотнигельная заслонка открывается и газоприемная каретка выходит

из газоотаодяшего воздуховода.

I - уплотняющая заслонка;

1 Г 2 - вентилятор;

/ # < ? & > л

; - I 1 \ 3 - газоотводящии

воздуховод;

4 - уплотнительные элементы;

5 - раструб;

6 - газоприемная каретка;

7 - ролики; 8 - патрубок;

9 - муфта;

10 - камера смешения;

II - выхлопной патрубок; 12 - пружина; 13 - эжектор;

14 - упорное кольцо;

15 - подвески;

16 - растяжки подпружиненные, а - вид сбоку; б - вид сверху на газоотводящии воздуховод

Рисунок 22 - Схема устройства для отвода ОГ ДВС за пределы помещения

Количество ОГ Vor образующихся, при работе двигателя трактора, определяется по формуле:

Vor =22,4 -Gt-M2, (84)

где Gr - часовой расход топлива при работе двигателя трактора, кг/ч; М2 - число киломолей продуктов сгорания в 1 кг жидкого топлива.

Количество воздуха, подсасываемого эжектором (рисунок 9), определим из условий, что трение и теплопередача на стенках отсутствуют, смешение газов идеальное, тогда количество теплоты Qor, отдаваемое ОГ воздуху составит:

Qor = Gor ■ Согнем- Тюк). i")

где Gor - количество ОГ, кг, Cor - теплоемкость ОГ, кДж/(кг-°С);7хлг - конечная температура смеси газов, °С; Тюг-начальная температура ОГ, "С.

При условии, что процесс, протекающий в эжекторе, является политропным, теплоемкость ОГ равна:

г -г "°r~kor (86)

сог ьгог __.

пог

где п - показатель политропы, к - показатель адиабаты; Су - теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кг-"С).

Из уравнения: j pia< j"" Jbm. _

I Лог /

выражая показатель политропы п и логарифмируя, получим:

ПОГ ~ ^ ]g - jg (88)

где Рюг, Тюг - начальное давление и температура ОГ, соответственно Па и °С; Рхм м -конечное давление и температура газовоздушной смеси, соответственно Па и °С. Решая выражение (88) относительно показателя паг, получим:

, (89)

Количество теплоты, получаемое воздухом от ОГ, будет:

QB~GBCB(r2cM-TlR) , (90)

где GB - количество воздуха, проходящего через эжектор, кг; Св - теплоемкость воздуха, кДж/(кг-°С); Ти- начальная температура воздуха, °С.

Теплоемкость воздуха составит: Св = СпПв~кв , (9|)

п,-1

I

(92)

Очевидно, что количество теплоты, отдаваемое ОГ, и количество теплоты, получаемое воздухом, будут равны, тогда:

GorCorfTicM - Тюг) = GbCb(Tхм - Т/в ) , (93)

откуда количество воздуха: Ga = °ог'С°г(Г2С" ~Тю, ) ■ (94)

Сергеи -Т1В)

Температура газовоздушной смеси будет определяться из условия, что в диффузоре эжектора имеет место значительная потеря кинетической энергии на удар. Если пренебречь кинетической энергией эжектируемого газа, то потеря энергии на 1 кг рабочего i-аза составит:

(95)

(1 + и) 2 '

где и - коэффициент эжекции; v,oi— скорость истечения из сопла, м/с. Теплосодержание смеси газов:

Ч=С„г-Гюг + иСгв-Т,в + Е , (96)

где Сюг - теплоемкость ОГ при постоянном давлении, кДж/(кг-°С); СрВ - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг-°С); Тюг - температура ОГ, "С; TjB- температура воздуха, "С.

Температура смеси газов: г ч _Скг-Гюг^иС„-т„ + Б (97)

^ (l + BjCa, (1+"К~а,

где Сем -теплоемкость смеси газов, кДж/(кг°С):

C„r+иС„ . (98)

1+а

Программа лабораторных исследований предусматривала определение влияния геометрических параметров эжектора на температуру газовоздушной смеси, количества

подсасываемого через эжектор воздуха и определение влияния количества подсасываемого воздуха на температуру газовоздушной смеси.

В результате статистической обработки экспериментальных данных, представленных в диссертационной работе, были получены математические модели зависимости количества подсасываемого воздуха С« от диаметра активного сопла £>/ и его выноса

- на регуляторном режиме:

С, = 3998,0646 + 11,5224/,-161,2632Д, -0,06!9£2 + 0.0232Д +1,50630" ; (99)

- нагрузочном режиме:

С„ = 7054,7103-5,9621/-336,2864/Э, + 0,0966/.2 +0,10410), +4,02080'. (100)

и математическая модель зависимости температуры газо-воздушной смеси 7? см от диаметра активного сопла эжектора В/ и его выноса Ь:

- на регуляторном режиме:

'Л™ ~ -321,5429 + 0,1783/, + 24.608Д -0,0079/,' -0,0124/./), -0,3223й,2; (101)

- нагрузочном режиме:

'/'„,, = 453,4457-0,2614/, -22,944/Э, +0,0013/.' + 0,0056Ш, +0,3657О,1. (102)

Из графических зависимостей, представленных в диссертационной работе, установлено: рациональным будет эжектор с размерами диаметра активного сопла 30 мм и его выносом 40 мм, при которых обеспечивается наибольшее количество подсасываемого воздуха и минимальная температура газовоздушной смеси, что дает возможность быстрого отвода ОГ из помещения.

В седьмой главе «Технико-экономическое обоснование и реализация результатов проведенных исследований» представлены реализация результатов диссертационных исследований и экономическая эффективность от внедрения разработанных процессов и технических средств снижения токсичности ОГ (таблица 2).

Таблица 2 - Суммарный экономический эффект, руб./год.

Наименование работ Общий экономический ущерб Затраты на модернизацию и эксплуатацию предлагаемого устройства Экономический эффект

существующая маштв модернизированная машина

Устройство по обогащению воздушного заряда присадкой сжиженного газа 13642174 7444039 17129 6181006

Устройство для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучениек 9397118 7710368 187200 1417637

Устройство по очистке ОГ от сажи с помощью ЭФ 793243 542105 106400 144738

Устройство по очистке ОГ с помощью ЖН 793243 514125 103637 175481

Система по отводу ОГ из помещений для содержания животных 922770 461385,8 12289,35 449096

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ литературных источников показал, что проблема обеспечения безопасных условий жизнедеятельности при работе мобильных энергетических средств с двигателями внутреннего сгорания в помещениях сельскохозяйственного назначения является актуальной. Даже после непродолжительной работы мобильных энергетических средств с двигателями внутреннего сгорания внутри помещения, содержание токсичных компонентов в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации в несколько раз, что негативно сказывается на здоровье людей и сельскохозяйственных животных, росте возделываемых культур, следовательно, на качестве и объемах производимой продукции.

2. Установлено, что на улучшение состояния воздушной среды в помещениях сельскохозяйственного назначения при работе в них мобильных энергетических средств с дизельными двигателями следует воздействовать комбинированно: снижением токсичности отработавших газов посредством улучшения процесса сгорания топлива в дизельном двигателе внутреннего сгорания за счет обогащения присадкой сжиженным газом воздушного заряда или его предварительного пароозонирования, очистки отработавших газов сажевым электрическим фильтром, жидкостным нейтрализатором, отводом отработавших газов из помещений (патенты РФ №№ 36454,51120, 59153,86665, 77353, 83292,33979,26596).

3. Модернизированная система питания дизельного двигателя внутреннего сгорания для обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа должна содержать баллон сжиженного газа с арматурой и корректор для подачи сжиженного газа при определенных режимах работы двигателя за счет дифференциальной связи с всережимкым регулятором топливного насоса высокого давления.

Теоретически доказано, что присадка сжиженного газа к дизельному топливу способна улучшить процесс сгорания за счет улучшения смесеобразования, что обеспечивает более низкую температуру цикла, а, следовательно, меньшее образование вредных веществ в отработавших газах.

Получена аналитическая модель условия воспламенения и горения дизельного топлива совместно с присадкой из сжиженного газа.

Подачу сжиженного газа следует производить при нагрузке двигателя 60-70 % от номинальной. Оптимальной для двигателя Д-21А является величина присадки сжиженного газа 1,0-1,1 кг/ч, в результате чего снижается концентрация токсичных компонентов отработавших газов: содержание сажи в 4 раза; содержание оксида азота и оксида углерода на 15-18% и 6,7% соответственно; температура отработавших газов на 11,7%.

4. Модернизированная система питания дизельного двигателя внутреннего сгорания для пароозонирования воздушного заряда должна содержать устройство образования паровоздушной смеси с ультрафиолетовым облучателем и эжектирующее устройство.

Теоретически обоснованы основные конструктивно-режимные параметры устройства озонирования пара системы питания дизельного двигателя.

Установлено, что для дизельного двигателя Д-243 оптимальная подача воздушного пара составляет 4959 м3/ч, при мощности потока ультрафиолетового излучения эквивалентного 1,125 кВт. Это обеспечивает снижение концентрации токсичных веществ, таких как оксид углерода на 5,2%, углеводородов на 1,8%, оксид азота на 12,8%, сажа на 6,3%.

5. Устройство очистки отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания должна содержать на выпуске отработавших газов электрофильтр, включающий зону зарядки с коронирующими и некоронирующими электродами, и зону осаждения частиц, образованную большим и малым сажесборнихом, а также блок питания и коммутации.

Теоретически доказано, что процесс улавливания частиц сажи в электрическом фильтре определяется режимом горения коронного разряда и зависит от времени их зарядки, величины напряженности электрического поля, а также скорости отработавших газов в активных зонах фильтра

Экспериментально установлено, что при работе дизельного двигателя внутреннего сгорания на номинальных скоростных и нагрузочных режимах с электрофильтром на выпуске отработавших газов снижение температуры отработавших газов в среднем составляет 50°С, а газодинамическое сопротивление выхлопу двигателя — около 5кП& Степень снижения дымности отработавших газов изменяется от 15% при напряжении питания 25 кВ, до 40% при напряжении 15 кВ в режимах свободного ускорения двигателя. Максимальная степень очистки выхлопа двигателя от сажи составляет около 45% при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента и значениях напряжения 15 кВ, а времени зарядки сажевых частиц - 0,3 с, при величине тока потребления около 4 А.

Производственная проверка эффективности разработанной системы очистки отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания Д-21А трактора Т-25А показала снижение концентрации токсичных веществ в воздушной среде помещения теплицы по сравнению со штатной системой выпуска трактора по сумме углеводородов на 14, бенз(а)пирену на 18, а саже на 22,4%.

6. Жидкостной нейтрализатор дчя очистки отработавших газов дизельного двигателя должен содержать аэрозольную камеру, центробежный каплеуловитель, эжектор, форсунки для подачи нейтрапизирующего раствора, электронный блок управления, питания и коммуникации.

Установлено, что процесс нейтрализации токсичных веществ отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания в жидкостном нейтрализаторе зависит от эффективного орошения потока отработавших газов нейтрализирующим раствором, состоящим на 85% из воды НгО, в качестве абсорбирующих компонентов в его состав включены водный раствор №2СОз в количестве 14,5% по объему и 0,5% 1,4-дигидроксибензола (гидрохинона) СбИ/(ОН)2- Это обеспечивает коагуляцию капель нейтрализирующего раствора и сажевых частиц в более крупные образования; переход газообразной фазы в жидкую, при промежуточном понижении температуры отработавших газов и сепарации нейтрализирующего раствора, токсичных веществ и сажевых частиц. Установлена прямая зависимость между потребным количеством нейтрализирующего

раствора, количеством отработавших газов, количеством и составом топлива, подаваемого в цилиндр, средний расход нейтрализирующего раствора - 20...40 см /мин.

Разработанная система очистки отработавших газов дизельных двигателей Д-21А и Д-120 сокращают концентрацию токсичных веществ в воздушной среде теплицы по сравнению со штатной системой выпуска трактора по сумме углеводородов на 40%, бенз(а)пирену на 38%, а сажи на 52%.

7. Разработана система отвода отработавших газов двигателей внутреннего сгорания мобильных энергетических средств из животноводческого помещения, включающая неподвижный продольный и подвижный поперечный газоотводящий трубопровод с

вентилятором и эжектором.

Установлено, что применение эжектора в системе для отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания трактора позволяет снизить их температуру в среднем с 290 до 118°С при снятии регуляторной характеристики и с 203 до 93°С при снятии нагрузочной характеристики.

Экспериментально установлено для дизельного двигателя Д-240, что при уменьшении диаметра активного сопла эжектора с 40 до 30 мм, увеличении выноса активного сопла от 0 до 40 мм подача подсасывающего через эжектор воздуха увеличивается в среднем от 120 до 750 м3/ч, и температура газовоздушной смеси снижается в среднем от 138 до П8°С при снятии регуляторной характеристики, а при снятии нагрузочной характеристики подача подсасываемого через эжектор воздуха увеличивается в среднем от 90 до 720 м /ч, температура газовоздушной смеси снижается в среднем от 123 до 93°С.

Рекомендуемые параметры работы трактора МТЗ-80 с кормораздатчиком КТУ-10А в коровнике, исключающие дополнительные загрязнения воздуха отработавшими газами: скорость движения агрегата 2 км/ч, при частоте вращения коленчатого вала дизельного двигателя трактора 1800 мин"1. При этом подача подсасываемого через эжектор воздуха составляет 700-750 м3/ч, температура газовоздушной смеси 93-П8°С, а производительность вентилятора воздуховода системы отвода отработавших газов не менее 1300 м /ч.

8. Применение разработанных процессов и технических средств позволит значительно улучшить безопасные условия жизнедеятельности в помещениях сельскохозяйственного назначения с функционирующими в них мобильными энергетическим средствами с дизельными двигателями внутреннего сгорания. При этом годовой экономический эффект от применения устройств по обогащению воздушного заряда присадкой сжиженного газа и обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением соответственно составляют - 6181,0 тыс.рублей для теплиц площадью 18 га и 1417,6 тыс.рублей для складских помещений объемом 62208 м3. Внедрение устройства по очистке отработавших газов с помощью электрического фильтра и жидкостного нейтрализатора соответственно - 144,7 тыс.рублей и 175,5 тыс.рублей для теплиц площадью 1 га, а от внедрения системы по отводу отработавших газов за пределы коровника на 100 голов - 449,1 тыс.рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

В монографиях:

1. Тришкин, Иван Борисович. Вопросы теории снижения токсичности дизелей [Текст] / Тришкин, Иван Борисович. - Рязань: РГАТУ, 2009. - 198 с.

2. Тришкин, И.Б. Жидкостные нейтрализаторы. (Теория. Конструкции. Расчет) [Текст] / И.Б.Тришкин, Д.О. Олейник, 0.0. Максименко - Рязань: РГАТУ, 2013. - 131с.

В изданиях рекомендуемых ВАК:

3. Тришкин, И.Б. Система питания дизельного двигателя двумя видами топлива [Текст] / И.Б. Тришкин, A.B. Рябов // Сельский механизатор. - 2005. - № 9. - С. 16

4. Некрашевич, В. Электрофильтр для улавливания сажи двигателя [Текст] / В. Некрашевич, И. Тришкин, Н. Стражев // Сельский механизатор. - 2006. - № 5. - С. 40-41.

5. Тришкин, И. Жидкостный нейтрализатор для ДВС [Текст] / И. Тришкин, О. Максименко // Сельский механизатор. - 2007. - №1,- C.I9.

6. Жидкостный нейтрализатор улучшает микроклимат [Текст] / В. Некрашевич, И. Тришкин, О. Максименко, Н. Стражев // Сельский механизатор. - 2007. - № 5. - С. 38.

7. Некрашевич, В.Ф. Устройство для отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания из животноводческих помещений [Текст] / В.Ф. Некрашевич, И.Б. Тришкин, A.B. Ерохин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина". - 2008. - № 2. - С. 60-62.

8. Тришкин, И.Б. Основные параметры эжектора для отвода отработавших газов [Текст] / И.Б. Тришкин, В.Ф. Некрашевич, A.B. Ерохин // Тракторы и сельскохозяйственные машины, - 2008. -№3. -С. 9-10.

9. Тришкин, И.Б. Паспорт профессионального здоровья работника агропромышленного комплекса [Текст] / И.Б. Тришкин, Д.О. Олейник, B.C. Генералов // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина". - 2008. -№2(27). - С. 133-136.

10. Тришкин, И.Б. Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / И. Б. Тришкин, Д.О. Олейник // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина".-2009.—№ 1 (32).-С. 66 — 68.

И. Тришкин, И.Б. Конструктивно-технологическая схема электрического фильтра для улавливания частиц сажи в системе выпуска дизеля [Текст] / И.Б.Тришкин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина". - 2009. - № 2. - С. 43-44.

12. Тришкин, И.Б., Использование электрофильтра в качестве системы очистки выхлопа дизельного двигателя от сажи [Текст] / И.Б. Тришкин, Н.П. Стражев, // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №5. -URL: httD://www.science-education.ru/l 11-10202 (дата обращения: 01.10.2013).

13. Тришкин, И.Б. Анализ действия сил в электрофильтре на взвешенную в потоке отработавших газов частицу сажи [Текст] / И.Б.Тришкин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина". - 2009. -№3.-С. 48-50.

В материалах международных и всероссийских конференций, симпозиумов и других изданий:

14. Тришкин, И.Б. Снижение токсичности выхлопа двигателя Д-21А за счет обогащения воздушного заряда на впуске сжиженным газом [Текст] / И.Б. Тришкин, И.Е. Либеров //

Альтернативные топлива в ДВС: тез. докладов Всесоюзной научно-технической конференции - Киров, 1987. - С. 93-95.

15. Тришкин, И.Б. Снижение токсичности выхлопа тракторного дизеля при работах в помещениях ограниченного объема [Текст] / И.Б. Тришкин, В.И. Ванцов // Республиканская научно-практическая конференция: тез. докл. - Казань, 1990. - С. 96-98.

16. Тришкин, И.Б. Трактор Т-25А с малотоксичным двигателем [Текст] / И.Б. Тришкин // Эксплуатация и ремонт сельскохозяйственной техники : межвуз. сб. науч. тр. - Москва, 1990,- С. 169-172.

17 Тришкин, И.Б. Улучшение технико-экономических и токсичных показателей дизеля Д-21 присадкой сжиженного газа [Текст] / И.Б. Тришкин и др. // Материалы научно-технического семинара стран СНГ. - Санкт-Петербург, 1992. - С. 66-67.

18. Тришкин, И.Б. Трактор Т-25А с системой питания модернизированной для работы в помещениях ограниченного объема и воздухообмена [Текст] / И.Б. Тришкин, В.И. Ванцов, Е.В. Лунин // Сб. науч. тр. РГСХА. - Рязань, 1996. - С. 276-278.

19. Тришкин, И.Б. О возможности снижения токсичности двигателя Д-21[Текст] / И.Б. Тришкин, Е.В. Лунин, А.Ю. Панфилов // 10-ая научно-практическая конференция вузов Поволжья и Предуралья: тез. докл. - Чебоксары, 1998. - С. 156-158.

20. Тришкин, И.Б. Теоретические предпосылки оценки параметров токсичности [Текст] / И.Б. Тришкин, В.И. Ванцов, В.Ф. Некрашевич // Сб. науч. тр. РГСХА (вып.3,ч.2). -Рязань,1999,-С. 101-108.

21. Тришкин, И.Б. К вопросу оценки токсичности выхлопа дизельного двигателя [Текст] / И.Б. Тришкин, В.И. Ванцов // Юбилейн. сб. науч. тр. сотрудников и аспирантов РГСХА (т.1). - Рязань, 1999. - С. 88-94.

22. Некрашевич, В. Ф. Лабораторная установка для определения геометрических параметров эжектора [Текст] / В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, А. В. Ерохин // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства: сб. науч. тр. -Рязань, 2001.-С. 34-35.

23. Некрашевич, В. Ф. Влияние нагрузки на температуру отработавших газов трактора ЮМЗ-6Л [Текст] / В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, А. В. Ерохин // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства: сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 36-38.

24 Тришкин, И.Б. Результаты измерений параметров микроклимата в помещениях теплиц ОАО «Тепличный комбината при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций [Текст] / И.Б. Тришкин // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства: сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 38-40.

25. Тришкин, И.Б. К обоснованию величины годового экологического ущерба от воздействия токсичных веществ при работе машинно-тракторных агрегатов в теплицах [Текст] / И.Б. Тришкин // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства: сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 40-42.

26. Некрашевич, В. Ф. Обоснование параметров коллектора-нейтрализатора отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, О. О. Максименко // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства : сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 42-45.

27. Тришкин, И.Б. Лабораторная установка для изучения режимов работы эжектора и жидкостного нейтрализатора [Текст] / И.Б. Тришкин и др. // Энергосберегающие технологии использования и ремонта МТП: материалы научно-практ. конф. инженерного факультета РГСХА // Рязань, 2004. - С. 52-54.

28. Тришкин, И.Б. Результаты измерений параметров микроклимата в помещении коровника до и после раздачи кормов с использованием трактора [Текст] / И.Б. Тришкин, В.Ф. Некрашевич, A.B. Ерохин // Сб. науч. тр. РГСХА. - Рязань, 2004. - С. 54-56.

29. Костенко, М.Ю. О возможности снижения токсичности отработавших газов подачей паровоздушной смеси [Текст] / М. Ю. Костенко, И. Б. Тришкин, А. В. Рябов // Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Вклад

молодых ученых в развитие аграрной науки XXI века" (2-3 марта 2004, Рязань). - Рязань, 2004. -С.234-236. - (К 55-летию Рязанской государственной сельскохозяйственной академии).

30. Некрашевич, В.Ф. К определению потребной вентиляции при работе мобильных погрузчиков с двигателями внутреннего сгорания внутри помещения ограниченного объема [Текст] / В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, А. В. Ерохин // Сб. науч. тр. аспирантов, соискателей и сотрудников РГСХА. - Рязань, 2001. - С.370-374.

31. Тришкин, И.Б. Способ улавливания частиц сажи в системе выпуска дизельных двигателей [Текст] / И.Б. Тришкин, A.B. Рябов, Н.П. Стражев // Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы и перспективы : материалы Всероссийской научно-практической конф. - Ульяновск, 2005. - С. 394-397.

32. Тришкин, И.Б. Устройства для очистки отработавших газов мобильных энергетических средств [Текст] / И.Б. Тришкин, Д.О. Олейник // Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий АПК: материалы междунар. научно-практической конференции , 4-5 мая 2009 г. - Мичуринск-наукоград РФ, 2009. - С. 144-148.

33. Тришкин, И.Б. Использование электрофильтра в качестве системы очистки выхлопа дизельного двигателя от сажи [Текст] / И.Б. Тришкин, Н.П. Стражев // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития АПК». - Уфа, 2011. - С. 228-230.

34. Тришкин, И.Б. Устройство для очистки отработавших газов от сажи и снижения шума дизельного двигателя [Гекст] / И.Б. Тришкин и др. // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сб. науч. работ. - Брянск, 2006. - С. 156-160.

35. Тришкин, И.Б. Динамика состояния микроклимата в коровнике при раздаче кормов мобильным кормораздатчиком [Текст] / И.Б. Тришкин, В.Ф. Некрашевич // Материалы 46-ой научно-технической конференции молодых ученых и студентов инженерного факультета. -Пенза: РИО ПГСХА, 2001.-С.117-119.

36. Тришкин, И.Б. Расчет концентрации токсичных веществ в атмосфере помещений ограниченного объема и воздухообмена [Текст] / И.Б. Тришкин, В.Ф. Некрашевич // Материалы 46-ой научно-технической конференции молодых ученых и студентов инженерного факультета. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001. - С. 119-120.

В патентах:

37. Пат. 33979 Российская Федерация, МЛК FOIN7/08, F24F7/04. Устройство для отвода отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И. Б., Максименко О. О., Ерохин А. В. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2003117141/20 ; заявл.09.06.03 ; опубл. 20.11.03, Бюл. № 32. - 8 с. : ил.

38. Пат. 34971 Российская Федерация, МПК F01N3/04. Жидкостный нейтрализатор отработанных газов двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И. Б., Максименко О. О. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2003125440/20 ; заявл.18.08.03 ; опубл. 20.12.03, Бюл. № 35 . - 7 с. : ил.

39. Пат. 26596 Российская Федерация, МПК F01N7/08. Устройство для удаления выхлопных газов от двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И.Б., Максименко О.О., Некрашевич В.Ф., Крыгин С.Е., Ерохин A.B. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. -№ 2002111113/20; заявл. 24.04.02; опубл. 10.12.02, Бюл. № 34 . - 7 с. : ил.

40. Пат. 36454 Российская Федерация, МПК F02M27/06. Устройство для обработки паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением перед двигателем внутреннего сгорания [Текст] / Костенко М. Ю., Тришкин И. Б., Рябов А. В.; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. -№2004131710/22; заявл. 01.11.04 ; опубл.27.09.03, Бкш. № 7. - 6 с. : ил.

41. Пат. 56964 Российская Федерация, МПК F01N3/01. Устройство дтя очистки отработавших газов и снижения уровня шума двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Стражев Н. П., Мяснянкина M. Н. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2005141770/22 ; заявл. 30.12.05 ; опубл. 27.09.06, Бюл. № 27. - 7 е.: ил.

42. Пат. 56965 Российская Федерация, МПК ГО 1 N3/08. Устройство для очистки отработавших газов и снижения уровня шума двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Стражев Н. П. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. -№2005139351/22 ;заявл. 15.12.05 ; опубл. 27.09.06, Бюл. №27.-6 с/, ил.

43. Пат. 59153 Российская Федерация, МПКР0ШЗ/08. Электрический фильтр для очистки от сажи отработавших газов двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И. Б., Стражев Н. П. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2006125325/22 ; заявл 13.07.06 ; опубл. 10.12.06, Бюл. № 34. - 7 е.: ил.

44. Пат. 77353 Российская Федерация, МПК Р'0МЗ/02. Устройство для очиспси отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Олейник Д. О. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2008115609/22 ; заявл. 21.04.08 ; опубл. 20.10.08, Бюл. № 29. - 5 с.: ил.

45. Пат. 47448 Российская Федерация, МПК Р02М43/00. Система питания дизельного двигателя двумя видами топлива [Текст] / Тришкин И.Б., Рябов А.В. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - X» 2004134911/22 ; заявл. 29.11.04 ; опубл.

27.08.05, Бюл. № 24. - 6 с.: ил.

46. Пат. 51120 Российская Федерация, МПКР02М27/06 . Система подачи смеси во впускной коллектор дизельного двигателя [Текст] / Тришкин И. Б., Рябов А. В. ; заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2005117397/22 ; заявл. 06.06.05 ; опубл.

27.01.06, Бюл. № 03. -5с.: ил.

47. Пат. 86665 Российская Федерация, МПК Р01 N3/02. Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Олейник Д. О. ; заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2009113715/22 ; заявл. 14.04.09 ; опубл. 10.09.09, Бюл. № 25. - 5 с.: ил.

48. Пат. 83292 Российская Федерация, МПК Р0ШЗ/02. Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Олейник Д. О.; заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2008148586/22 ; заявл. 09.12.08 ; опубл. 27.05.09, Бюл. № 15. - 5 с.: ил.

49. Пат. 107289 Российская Федерация, МПК Р01КЗ/00. Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Угланов М. Б., Солдатов Р. А., Липин В. Д. ; заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. -№ 2011107366/06 ; заявл. 25.02.11 ; опубл. 10.08.11, Бюл. №22. -8 с. : ил.

50. Пат. 122710 Российская Федерация, МПК Р02М43/00. Система питания дизеля с двумя видами топлива [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкии И. Б., Солдатов Р. А., Дмитриев В. В., Липин В. Д.; заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2012112086/06 ; заявл. 28.03.12 ; 10.12.12, Бюл. № 34. - 3 с.: ил.

51. Пат. 123466 Российская Федерация, МПК Р02М43/00. Система подачи в дизель двух топлив [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И. Б., Феклистов А. А., Солдатов Р. А., Липин В. Д. ; заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2012113809/06 ; заявл. 09.04.12; опубл. 27.12.12, Бюл. № 36.-3 с.: ил.

Подписано в печать 27.10.2013. Формат 60x84. Пробел 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ №123

Отпечатано в издательстве учебной литературы и

учебно-методических пособий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Косгычева» 390044, г. Рязань, ул. Косгычева, 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБОРАЗОВАНИЯ «РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.А. КОСТЫЧЕВА»

На правах рукописи

05201450524

Л

Тришкин Иван Борисович

СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.20.01- «Технологии и

средства механизации сельского хозяйства»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -Некрашевич Владимир Федорович, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор

Рязань 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

РЕФЕРАТ.............................................................................................................. 8

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................... 11

ГЛАВА 1. Анализ способов и технических средств обеспечения экологической безопасности при работе мобильных энергетических средств с двигателем внутреннего сгорания в помещениях сельскохозяйственного назначения....................................... 19

1.1. Сельскохозяйственные производственные здания и сооружения, основные виды механизированных работ и применяемое технологическое оборудование...................... 19

1.2. Анализ способов и средств обеспечения воздухообмена в помещениях при работе в них мобильных энергетических средств с двигателем внутреннего сгорания.................. 24

1.3. Экологические и экономические аспекты загрязнения воздушной среды сельскохозяйственных производственных помещений отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания мобильных энергетических средств и влияние их на условия труда обслуживающего персонала и качество сельскохозяйственной продукции......................... 27

1.4. Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания................................ 30

1.5. Токсичность отработавших газов дизельного двигателя. Их воздействие на организм человека. Предельно допустимые концентрации токсичных веществ в атмосфере сельскохозяйственных производственных помещений............................................... 32

1.6. Анализ способов и средств снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя мобильного энергетического средства...................................................................... 42

1.6.1. Удаление токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя.......... 43

1.6.2. Нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя .. 44

1.6.3. Совершенствование рабочего процесса и конструкции дизельного двигателя как способ снижения токсичности выхлопа.................................................................... 48

1.6.4. Применение альтернативных видов топлива................................................... 52

1.6.5.Впрыск воды и применение топливо-водяных эмульсий........................................ 56

1.6.6. Озонирование воздушного заряда на впуске...................................................... 58

1.7. Постановка проблемы, цель работы и задачи научного исследования...................... 60

ГЛАВА 2. Исследование процесса обогащения воздушного заряда сжиженным газом с целью снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания....... 63

2.1. Определение состояния микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций......................................................... 63

2.2. Результаты измерений параметров микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций............................................... 65

2.3. Теоретический анализ динамики состояния вентилируемой воздушной среды теплиц при выполнении в них механизированных работ машинно-тракторным агрегатом............ 70

2.4. Обогащение воздушного заряда присадкой сжиженного газа как средство снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя............................................................................. 73

2.5. Устройство по обогащению воздушного заряда присадкой сжиженного газа............. 83

2.6. Лабораторные исследования способа подачи двух видов топлива как средства

снижения токсичности отработавших газов............................................................ 87

2.6.1. Программа и методика лабораторных исследований дизельного двигателя Д-21А и

модернизированного трактора Т-25А.................................................................... 87

2.6.1.1 Установка для лабораторных исследований двигателя Д-21А............................. 87

2.6.1.2. Методика исследования токсичности выхлопа тракторного дизеля Д-21А с присадкой сжиженного газа.................................................................................. 92

2.6.2 Методика проведения многофакторного эксперимента....................................... 93

2.6.2.1 Статистическая проверка результатов эксперимента, проверка однородности дисперсий...................................................................................................... 95

2.6.2.2 Раскодирование уравнения регрессии.......................................................... 104

2.6.3 Результаты испытаний на лабораторной установке двигателя Д-21А..................... 105

2.7. Производственная проверка эффективности работы газоподающей аппаратуры и экономический эффект от ее внедрения................................................................... 115

2.7.1. Программа и методика производственной проверки.......................................... 115

2.7.2. Результаты производственной проверки эффективности работы трактора с газоподающей аппаратурой при выполнении энергоемких операций по основной

обработке тепличного грунта.............................................................................. 119

Выводы по главе 2............................................................................................121

ГЛАВА 3. Влияние рабочего процесса пароозонирующего устройства на снижение токсичности и дымности отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания 123 3.1. Теоретические исследования рабочего процесса пароозонирующего устройства........... 123

3.1.1. Конструктивно-технологическая схема системы подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор дизельного двигателя..................................................123

3.1.2. Обоснование основных геометрических параметров устройства для обработки

паровоздушной смеси ультрафиолетовым излучением............................................... 125

3.2 Лабораторные и производственные исследования способа подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор для снижения токсичности отработавших

газов дизельного двигателя................................................................................. 130

3.2.1. Экспериментальная установка для лабораторных исследований двигателя Д-243....... 130

3.2.2. Программа испытаний............................................................................... 136

3.2.3. Методика экспериментальных исследований, определение токсичности отработавших газов дизельного двигателя Д-243 при подаче облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор.............................................................................. 137

3.2.4. Методика проведения многофакторного эксперимента....................................... 139

3.3. Результаты лабораторных исследований............................................................140

3.3.1. Результаты исследований влияния количества подаваемого водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения на эффективные показатели работы дизельного двигателя........................................................................................ 140

3.3.2. Результаты исследования влияния количества подаваемого водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения на концентрацию токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя.............................................142

3.3.3. Результаты стендовых испытания дизельного двигателя Д-243 с системой высокоточной подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор............. 146

3.3.4. Результаты исследования и оценка влияния на токсичность отработавших газов дизельного двигателя способов подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор двигателя.......................................................................................... 150

3.3.5. Производственная проверка........................................................................ 154

Выводы по главе 3............................................................................................ 159

ГЛАВА 4. Исследование устройства по очистке отработавших газов от сажи с помощью электрического фильтра на выпуске дизельного двигателя.......................................... 162

4.1. Теоретические исследования устройства по очистке отработавших газов от сажи дизельного двигателя......................................................................................... 162

4.1.1. Конструктивно - технологическая схема электрического фильтра для улавливания частиц сажи в системе выпуска дизеля.................................................................. 162

4.1.2. Теоретический анализ действия сил в электрофильтре на взвешенную в потоке отработавших газов частицу сажи......................................................................... 166

4.1.3. Обоснование основных параметров электрофильтра.......................................... 170

4.1.3.1. Выбор геометрических параметров электрического фильтра.............................. 170

4.1.3.2. Выбор основных электрических параметров работы электрофильтра...................173

4.1.3.3. Обоснование степени очистки от сажи отработавших газов дизельного двигателя... 177

4.1.3.4. Определение жесткости пружины маслоуловителя электрофильтра.................. 189

4.1.3.5. Определение газодинамического сопротивления отработавших газов двигателя трактора в электрическом фильтре............................................................................. 183

4.2. Лабораторные исследования способа снижения дымности отработавших газов......... 186

4.2.1. Лабораторная установка.............................................................................. 187

4.2.2.Методика лабораторных исследований............................................................ 193

4.2.3 .Результаты лабораторных исследований.......................................................... 196

4.2.3.1.Результаты исследований влияния установки в системе выпуска трактора электрофильтра на эффективные показатели работы двигателя и параметры отработавших газов.............................................................................................................. 196

4.2.3.2. Результаты исследований степени влияния величины высоковольтного напряжения питания электрического фильтра и времени нахождения сажевых частиц в его активной зоне на дымность отработавших газов трактора на основе планирования

эксперимента...................................................................................................199

4.3. Производственная проверка работоспособности и эффективности работы электрофильтра по очистке дизельного выхлопа...................................................... 205

4.3.1. Программа и методика проверки............................................................... 205

4.3.2. Результаты производственной проверки эффективности работы системы очистки... 207

Выводы по главе 4............................................................................................ 209

ГЛАВА 5. Исследование жидкостного нейтрализатора отработавших газов дизельного

двигателя внутреннего сгорания........................................................................... 211

5.1 Теория процесса влажной очистки отработавших газов дизельного двигателя Д-120 в

жидкостном нейтрализаторе................................................................................ 211

5.1.1 Конструктивно-технологическая схема устройства для влажной очистки отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания................................ 211

5.1.2. Определение газодинамического сопротивления жидкостного нейтрализатора........ 222

5.1.3. Определение расхода нейтрализующего раствора, потребного для очистки отработавших газов в ЖН.................................................................................. 227

5.1.4. Определение параметров сепарации токсичных компонентов и сажевых частиц в центробежном каплеуловителе........................................................................... 229

5.1.5. Обоснование основных параметров центробежного завихрителя лопаточного типа... 233

5.1.6. Выбор абсорбирующих компонентов входящих в состав нейтрализующего раствора.... 235 5.2. Лабораторные исследования жидкостного нейтрализатора снижения токсичности

отработавших газов..........................................................................................236

5.2.1 Программа лабораторных исследований....................................................... 236

5.2.2. Методика проведения лабораторных исследований...........................................237

5.3 Результаты лабораторных исследований............................................................246

5.3.1 Результаты исследований влияния установки в системе выпуска жидкостного нейтрализатора на эффективные показатели работы двигателя.................................... 246

5.3.2 Результаты исследований влияния количества нейтрализующего раствора и

продолжительности времени впрыска на токсичность и дымность ОГ трактора......... 248

5.4. Производственная проверка жидкостного нейтрализатора очистки отработавших

газов дизельного двигателя и оценка экономической эффективности его внедрения........ 256

5.4.1 .Производственная проверка работоспособности и эффективности работы устройства

для очистки ОГ дизельных двигателей внутреннего сгорания..................................... 256

5.4.1.1. Программа и методика производственной проверки.................................... 256

5.4.1.2 Результаты производственной проверки эффективности работы системы влажной очистки отработавших газов................................................................................256

5.4.2 Результаты производственной проверки эффективности работы системы влажной

очистки отработавших газов................................................................................260

Выводы по главе 5........................................................................................... 268

ГЛАВА 6. Система удаления отработавших газов двигателей внутреннего сгорания из помещений сельскохозяйственного назначения........................................................270

6.1. Теоретические исследования процесса отвода отработавших газов двигателей внутреннего сгорания за пределы помещений.........................................................270

6.1.1. Конструктивно-технологическая схема системы для отвода отработавших газов......270

6.1.2. Обоснование основных параметров системы удаления отработавших газов.............274

6.1.3 Определение температуры смеси отработавших газов с воздухом......................... 275

6.1.4. Определение производительности и необходимого напора вентилятора.................276

6.2. Исследование процесса отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания

за пределы помещения с использованием эжектора.................................................. 280

6.2.1. Программа и методика исследований.......................................................... 280

6.2.2. Результаты исследований........................................................................... 287

6.2.2.1. Результаты исследований влияния количества подсасываемого воздуха и скорости отработавших газов на температуру газовоздушной смеси......................................... 287

6.2.2.2. Результаты исследований влияния геометрических параметров эжектора на количество подсасываемого воздуха и температуру газовоздушной смеси..................... 290

6.3. Производственная проверка системы для отвода отработавших газов..................... 298

6.3.1. Программа и методика проверки..................................................................298

6.3.2. Результаты производственной проверки........................................................ 300

Выводы по главе 6.......................................................................................... 301

ГЛАВА 7. Технико-экономическое обоснование и реализация результатов проведенных

исследований.................................................................................................. 303

7.1. Технико-экономическое обоснование систем и средств улучшения состояния

воздушной среды помещений сельскохозяйственного назначения................................303

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ................................................................ 310

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В РАБОТЕ............................. 315

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................ 333

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................ 370

Реферат

Диссертация состоит из введения, семи разделов, общих выводов, списка используемой литературы и приложений.

Содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы и ее народнохозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ способов и технических средств обеспечения экологической безопасности при работе мобильных энергетических средств с двигателем внутреннего сгорания в помещениях сельскохозяйственного назначения» даны экологические и экономические аспекты загрязнения воздушной среды сельскохозяйственных производственных помещений отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания мобильных энергетических средств, влияние их на условия труда обслуживающего персонала и качество сельскохозяйственной продукции, анализ способов и средств снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя мобильного энергетического средства. Сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи исследований.

Во второй главе «Исследование процесса обогащения воздушного заряда сжиженным газом с целью снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания» дан теоретический анализ динамики состояния вентилируемой воздушной среды теплиц при выполнении в них механизированных работ машинно-тракторным агрегатом, рассмотрено влияние присадки газа к основному топливу на процесс смесеобразования, сгорания и образования токсичных веществ, предложено устройство по обогащению воздушного заряда присадкой сжиженного газа. Рассмотрена методика исследования токсичности выхлопа тракторного дизеля Д-21А с присадкой сжиженного газа.

Представлены результаты испытаний на лабор