автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение экологических показателей карбюратного двигателя путем организации рабочего процесса с подачей воды в цилиндры

•VÖ

I

<U

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ТВЕРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПУТЕМ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА С ПОДАЧЕЙ

ВОДЫ В ЦИЛИНДРЫ.

Специальности: 05.20.03 - Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

05.04.02 - Тепловые двигатели

зав. кафедрой «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика» Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик Академии аграрного образования А. В. Николаенко.

кандидат технических наук А. В. Николаев.

На правах рукописи

ПАНОВ Юрий Алексеевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

Тверь - 1999

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВМТ - верхняя мертвая точка;

ВТЭ - водотопливная эмульсия;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ДТ - дизельное топливо;

ДТА - дизельная топливная аппаратура;

ЕЭК ООН - единая экономическая комиссия организации объединенных наций;

КПД - коэффициент полезного действия;

КС - камера сгорания;

ММ - моторное масло;

НВД - насос высокого давления;

ОГ - отработавшие газы;

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды;

ПРТ - преобразователь расхода топлива;

ПСМ - преобразователь считывания момента;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

ТО - техническое обслуживание;

ЦПГ - цилиндропоршневая группа;

ЭДС - электродвижущая сила.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................. 8

1.1. Показатели и нормирование токсичности отработавших газов карбюраторного двигателя...........................................................................:......8

1.2. Методы и средства улучшения экологических показателей карбюраторных двигателей...............................................................................21

1.3. Улучшение экологических и топливно-энергетических показателей карбюраторных двигателей путем подачи воды в цилиндры.........................36

1.4. Задачи исследований...................................................................................43

2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА И ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОДАЧЕ ВОДЫ В ЦИЛИНДРЫ.................................................................46

2.1. Способ организации рабочего цикла карбюраторного двигателя............46

2.2. Математическая модель расчета параметров рабочего цикла..................49

2.3. Методика расчетно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы карбюраторного двигателя при подаче воды в цилиндры............................................................................................................57

2.4. Результаты расчетно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы карбюраторного двигателя с подачей воды в цилиндры. .............................................................................................................................60

2.5. Расчетно-теоретический анализ теплового баланса и износостойкости

карбюраторного двигателя при подаче воды в цилиндры...............................70

2.6. Выводы........................................................................................................75

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ показателей РАБОТЫ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОДАЧЕ ВОДЫ В ЦИЛИНДРЫ...........................................................................................................78

3.1. Методика исследований показателей рабочего цикла..............................80

3.2. Методика исследований показателей токсичности ОГ.............................83

3.3. Методика исследований эффективных показателей работы....................87

3.3.1. Методика определения механических потерь на привод насоса высокого давления.........................................................................................89

3.4. Методика исследований содержания воды в масле..................................90

3.5. Экспериментальная установка и применяемое оборудование.................91

3.6. Обработка результатов и погрешности измерений...................................94

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА С ПОДАЧЕЙ ВОДЫ В ЦИЛИНДРЫ.....................................................98

4.1. Создание макетного образца карбюраторного двигателя с подачей воды в цилиндры............................................................................................................98

4.2. Показатели рабочего цикла......................................................................101

4.3. Экологические показатели........................................................................107

4.4. Эффективные показатели.........................................................................116

4.4.1. Механические потери на привод насоса для подачи воды..............121

4.6. Результаты исследований содержания воды в масле.............................123

4.5. Выводы......................................................................................................124

5. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА С ПОДАЧЕЙ ВОДЫ В ЦИЛИНДРЫ..............................128

6. СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ПОДАЧЕ ВОДЫ В ЦИЛИНДРЫ. 131

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................................135

Литература....................................................................................................138

Приложения..................................................................................................146

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с конституционными гарантиями (статьи 42 и 37 Конституции РФ), каждый человек в нашей стране имеет право «на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии», на удовлетворительные санитарно-гигиенические условия труда [1]. Также в Российской Федерации действует закон «Об охране окружающей среды». Состояние окружающей среды тесно связано с состоянием воздушного пространства, загрязнение которого происходит в основном за счет сжигания различных видов топлива.

В нашей стране, как и во всем мире в целом, более 70% энергии вырабатывают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), при этом выбрасывается в атмосферу с отработавшими газами большое количество вредных веществ. Баланс загрязнения окружающей среды в мире [2, 3]: ДВС - 51,4 %, тепловые электростанции - 15,7 %, промышленные предприятия - 14,1 %, в том числе по ДВС: автомобильный транспорт - 70,0 %, тракторы и сельскохозяйственные машины -9,2 %, воздушный транспорт - 7,3 %, морской и речной транспорт - 4,1 %

В настоящее время численность автомобилей, особенно в крупных городах, быстро увеличивается, что приводит к увеличению загрязнения атмосферы токсичными веществами отработавших газов (ОГ), увеличению их вредного воздействия [4, 5]. При сжигании каждой тонны топлива выделяется в среднем 0,3...0,5 тонны вредных компонентов отработавших газов. В воздушное пространство в нашей стране ежегодно выбрасываются миллионы тонн ядовитых для животного и растительного мира веществ. Так при сгорании 1 кг бензина на средних скоростных и нагрузочных режимах двигателя выделяется примерно 300...310 г токсичных компонентов (225 г оксида углерода, 55 г оксидов азота, 20 г углеводородов, 1,5...2,02 г оксида серы, 0,8... 1 г альдегидов, 1 ...1,5 г сажи и др.) [6].

Загрязнение окружающей среды ОГ бензиновых двигателей приводит к заболеваниям и снижению производительности труда работников; к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, продуктивности животноводства;

ухудшению качества кормовых растений, мясомолочной продукции; снижению ценности садовых культур.

Применяемые методы и средства снижения выбросов вредных веществ с ОГ двигателей не обеспечивают комплексного снижения всех токсических компонентов выхлопа, для решения этой задачи применяются комбинации различных способов, что значительно увеличивает стоимость двигателей.

Решение вопроса снижения токсичности ОГ карбюраторных двигателей находится в противоречии с требованиями улучшения топливной экономичности. Кроме того, снижение содержания одного из токсичных компонентов зачастую приводит к повышению содержания другого. Это обусловливается особенностями и различиями в механизмах образования продуктов неполного сгорания топлива и связанной с этим топливной экономичностью с одной стороны и высокотемпературными окислительными механизмами формирования оксидов азота - с другой [7, 8, 9, 10]. Успешное решение этой сложной, не имеющей однозначного ответа задачи, возможно лишь на основе проведения углубленных теоретических и экспериментальных исследований с использованием новых методов и средств.

В связи с отмеченными факторами проблема уменьшения загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми ДВС, и экономии потребляемого ими углеводородного топлива приобретают особую остроту и выходят за рамки частной задачи отрасли двигателестроения.

Целью диссертационной работы является снижение основных токсических компонентов ОГ путем организации рабочего процесса карбюраторного двигателя с подачей воды в цилиндры на различных режимах работы.

Научную новизну работы представляют следующие положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и алгоритм расчета показателей и параметров рабочего цикла карбюраторного двигателя при подаче воды в камеру сгорания.

2. Методика и результаты расчета параметров цикла и показателей работы карбюраторного двигателя при различных регулировочных параметрах подачи

воды в цилиндры.

3. Критерий оценки выбросов оксидов азота с ОГ карбюраторного двигателя.

4. Количественные характеристики и закономерности изменения содержания оксидов азота Ж)х, оксида углерода СО и углеводородов в ОГ при работе карбюраторного двигателя с подачей воды на различных скоростных и нагрузочных режимах.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Показатели и нормирование токсичности отработавших газов

карбюраторного двигателя.

Отработавшие газы (ОГ) тепловых двигателей представляют собой весьма сложную смесь, в состав которой входит несколько сотен компонентов [11, 12]. Однако многообразие продуктов выхлопа можно свести к нескольким группам, каждая из которых объединяет вещества, в той или иной мере сходные по характеру воздействия на организм человека или родственные по химической структуре и свойствам.

Согласно классификации Ю. Г. Фельдмана [13], к первой группе относятся компоненты нетоксичные: азот, кислород, водород, водяной пар и углекислый газ. Ко второй - оксид углерода (СО); к третьей - оксиды азота, включающие оксид (N0) и двуоксид (Ж)х) азота. Самая многочисленная четвертая группа веществ состоит из углеводородов, среди которых обнаружены представители всех гомологических рядов: алканы, алкены, алкаднены, цикланы, а также ароматические соединения, в том числе канцерогены (т. е. вещества, которые вызывают раковые заболевания). К пятой группе компонентов ОГ относится смесь альдегидов: формальдегид, алифатические альдегиды и ароматические альдегиды, к шестой - сажа, характерная для выхлопа дизельных, газотурбинных и турбореактивных двигателей. Следует отметить, что в зависимости от качества топлива и добавляемых к нему различных присадок в ОГ тепловых двигателей могут содержаться соединения свинца и серы.

Состав и концентрация веществ в ОГ зависят от вида применяемого топлива, типа двигателя, условий и режима его эксплуатации [6, 7, 10, 11]. Средний количественный состав ОГ бензинового двигателя характеризуется данными, приведенными в таблице 1.1 [11, 14, 15, 16], где также приведены класс опасности и значения предельно допустимых концентрации (ПДК) вредных веществ. В РФ принята трехступенчатая градация ПДК вредных веществ [17, 18].

Таблица 1.1.

Средний состав и характеристики отработавших газов бензиновых двигателей.

Концентрация в ОГ Класс опасности ПДК, мг/м3

Составляющие ОГ в рабочей зоне Максимально-разовая среднесуточная

Азот, % 74...77 Нетоксичен

Кислород, % 0,3...8 п

Пары воды, % 3,0...5,5 II

Углекислый газ, % 5...12 I»

Оксид углерода, % 0,2 ...12 4 20 3 1

Оксиды азота в пересчете на Ш2),% 0,01...0,8 2 5 0,085 0,085

Углеводороды (в пересчете на метан), % 0,2...3,0 2...4 5...300 1,4...200 1...2,5

Альдегиды (в пересчете на формальдегиды), % 0..Д20 2...3 0,2...5 0,01...3 0,01... 5

Формальдегиды, % 0,002 3 0,5 0,035 0,003'

Акролеин, % 0,0001 2 0,2 0,03 0,03

Бенз-а-пирен, мг/м3 0,5...20,0 1 0,00015 - 1-Ю"6

л Сажа, г/м" 0...0,04 3 4 0,15 0,05

Следует признать, что комплексное воздействие рассматриваемых веществ на человека и окружающую среду еще недостаточно изучено. Тем не менее, накопленные сведения позволяют поставить на первое место по токсикологической опасности оксид углерода (СО), оксиды азота (КОх), углеводороды (СхНу), альдегиды, а также соединения свинца и серы.

Под воздействием СО эритроциты (красные кровяные шарики) утрачивают способность участвовать в газовом обмене. Наступает кислородное голодание, появляются слабость, головная боль, тошнота и рвота [13]. При концентрации оксидов углерода в 0, 20... 0, 25 % через 25... 30 мин наступает обморочное состояние, при содержании 1 % СО около 70 % гемоглобина превращается в карбоксигемоглобин (соединение гемоглобина и оксидов углерода), на-

ступает внутреннее удушье (прекращается усвоение кровью кислорода). Норма содержания оксидов углерода в воздухе 1 мг/м3.[6,17]

Оксиды азота Н,От (N0, N02, М20, Ы20з, К204, 1\Г205), попадая в дыхательные пути, образуют с водой соединения азотной и азотистой кислот, которые разрушающе действуют на легкие. Опасные заболевания наступают при концентрации оксидов азота 0,01 %. Специалисты считают, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее оксида углерода. [6, 17, 19, 20, 21, 22] Наибольшую опасность оксиды азота представляют при наличии других токсических компонентов. Например, под воздействием солнечной радиации и при наличии несгоревших углеводородов оксиды азота вступают в реакцию с образованием фотохимического смога, который является наиболее вредным для здоровья человека и растений [10, 23, 24, 25].

Альдегиды (формальдегид, акролеин) вредно действуют на нервную систему и органы дыхания человека. Сильное раздражение слизистых оболочек носа и глаз наступает при концентрации формальдегида 0, 18 % [6, 14]. Акролеин более ядовит, уже при концентрации 0,002 % он вызывает сильное раздражение слизистых оболочек.

Токсичными веществами являются углеводороды (этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен). Токсичность углеводородов значительно возрастает при наличии других загрязнителей атмосферы. Токсичны также пары бензина.

-з

Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина 1, 5 мг/м , т. е. всего в 1,5 раза выше концентрации СО [17].

Оценивая воздействие ОГ на загрязнение окружающей среды, особенно следует выделить их роль в загрязнении атмосферы городов полициклическим ароматическими углеводородами (ПАУ), которые относятся к канцерогенным загрязнителям. К числу обладающих большой канцерогенной активностью и достаточно хорошо изученных следует отнести в первую очередь бенз-а-пирен С20Н12, который образуется при гидролизе тяжелых фракций моторных топлив и смазочного масла при температуре 670... 970 К при сильном недостатке кислорода [3, 6, 10]. При непосредственном контакте канцерогенных

веществ с живой тканью и постепенном накапливании до критических концентрации они приводят к возникновению злокачественных опухолей [17, 26].

После сгорания этилированных бензинов в отработавших газах содержатся ядовитые соединения свинца, которые постепенно накапливаются через органы дыхания и кожу в организме человека до опасных концентраций.

Процесс сгорания в быстроходных поршневых ДВС развивается в нестационарных условиях в течение коротких отрезков времени в небольших замкнутых объемах, окруженных относительно холодными стенками. При этом горючая смесь даже в бензиновых двигателях с внешним смесеобразованием, как правило, не бывает вполне однородной но своему составу - в ней содержатся капельки топлива, продолжающие испаряться в такте сжатия и в процессе сгорания.

Оксид углерода, углеводороды и альдегиды относятся к основным вредным продуктам неполного сгорания топлива и масла [3, 10, 27].

Образование оксида углерода определяется цепными реакциями окисления топлива. СО всегда присутствует в ОГ ДВС в больших концентрациях при сжигании как богатых, так и бедных углеродсодержащих топливно-воздушных смесей. Реакция догорания оксида углерода - конечная стадия реакции горения углеводородов. Она образуется как промежуточный продукт химической реакции углеродсодержащего топлива с кислородом. Промежуточной реакцией принято считать реакцию метального радикала с молекулярным кислородом [28]:

СНз + 02 о- НСО + Н20 (1.1)

После которой СО образуется в основном по реакции:

НСО + ОН СО + Н20 (1.2)

В меньшей степени СО образуется по реакции:

НСО + М о Н + СО + М (1.3)

Догорание СО в С02 происходит по цепному механизму, который установлен на основе работ ученых Я. Б. Зельдовича, Н. Н. Семенова, В. Н. Кондратьева [10, 29]. Основными считают следующие реакции:

С0 + 0Н<->С02 + Н (1.4)

С0 + Н20<^С02 + Н2 (1.5)

Хотя может идти и прямая реакция:

С0 + 02->С02 + 0 (1.6)

Скорость уменьшения концентрации СО (или увеличения концентрации С02) при этом определяется уравнением [9]:

К,Лео Нон ], (1.7)

где К1с - константа ско