автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Экспресс-диагностика концентрации двуокиси азота отработавших газов дизелей методом двухлучевой лазерной спектроскопии

Введение.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПО ОЦЕНКЕ ВЫХОДА ДВУОКИСИ АЗОТА (Щ) В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Ю

1.1. Методы анализа отработавши газов двигателей внутреннего сгорания. . . п

1.2. Существующие теории анализа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. . . •

1.3* Основные ыетодиви экспериментального анализа состава отработавших газов внутреннего сгорания. • • •

1Л. Выводы и задачи по экспресс-диагностике концентрации двуокиси азота в отработавши газах дизеля методом двухлучевой лазерной спектроскопии. • •••••••• . • зо

ГЛАВА П. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТАВА ОКИСЛОВ АЗОТА

В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ.

2.1. Существующие математические модели образования окислов азота. 4Q

2.2• Анализ методов расчета состава отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

2.3. Математическая модель оценки выхода Л02 в отработавших газах дизеля.

2.4. Алгоритм расчета выхода ЯOz в отработавших гаэах дизеля Д-21А на ЭЦВМ.

Выводы. ♦

ГЛАВА III. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫХОДА М02 В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

3.1. Анализ существующих методик оценки выхода Ж)2В отработавших газах двигателей внутреннего сгорания.

3.2. Блок-схема экспериментальной установки и контрольно-измерительной аппаратуры и автоматики по экспресс-диагностике концентрации двуокиси азота в отработавших газах дизеля на основе двухлучевой лазерной спектроскопии.

3.3. Методика экспериментального анализа в отработавших газах дизеля на основе 2х лучевой лазерной спектроскопии.

Выводы.

ГЛАВА 1У. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ВЫХОДА Ж>2 ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ Д-21А С ВИХРЕ-КАМЕРНЫМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ.

4.1. Влияние коэффициента избытка воздуха на выходе Х

4.2. Влияние нагрузки на выход«лГ0£.

4.3. Анализ выхода <ЛЮ2 при переменном скоростном режиме

4.4. Снижение выхода двуокиси азота в отработавших газах Д-21 И.

Выводы.

ГЛАВА У. О ДОСТОВЕРНОСТИ ГИПОТЕЗЫ ОБРАЗОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫХОДА J40, НА ОСНОВЕ 2х ЛУЧЕВОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.

5.1. О достоверности математической модели расчета выхода J\f02 в отработавших газах двигателя Д-21 А.

5.2. Погрешности результатов экспериментального определения выхода М)2. . . хоб

К концу XX века перед человеком стала проблема необходимости защиты от самого себя* Воздействие ряда сложно взаимообусловленных факторов привело к нарушению биологического равновесия в на-вем мире, в системе человек - природа. Бурное развитие научно-промыиленной цивилизации, демографический взрыв, недостаточное требование по защите окружающей среды, предъявляющиеся к развивающейся промышленности в прошлом, постепенное сокращение свободны*, невозделанных и лесных территорий, а также безплановое развитие городских вон способствовало исчезновению некоторых форм растительности и животного мира. Перед лицом угроэы постепенного вымирания, человек, наконец, понял, что для охраны биологического равновеоия в природе необходимо начать общую войну за чистоту воздуха, воды и земли. На международной арене данная проблема признана как одна из важнейяих с момента выступления, 26 мая 1969 года, на форуме ООН УТана с известным докладом "Человек и его среда".

В СССР зтапроблема решается в общем комплексе научно-технических,экономических,социальных и других мер, направленных на предупреждение загрязнения атмосферного воздуха, что полностью соответствует положениям Конституции СССР, где сказано: "В интересах настоящего и будущих поколений в СССР принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, растительного и животного мира, сохранения чистоты вогдуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучиения окружающей среды".

Советский Союз принимает активное участие в международном сотрудничестве по реоению проблемы защиты природной среды.Ыежду

СССР и США, 23 мая 1972 года, подписано ва уровне гжав государств двухстороннее соглажение о сотрудничестве, в соответствии с которым осуществляется разработка мер по предотвращению загрязне-вий и изучение их влияния на окружающую среду»

Б социалистических странах даввому вопросу уделяется больное внимание* В 1972 году в рамках СЭВ был создан Совет по вопросам защиты и формирования окружающей среды* Инициативы и достижения Полый в области 8ащиты окружающей среды значительны и известны в мире*

Первым тревожным сигналом, известившим о вредности отработав» мих газов было явление смога, факт ухудшения состояния здоровья населения в штате Калифорния (США).

Было установлено, что в специфических климатических условиях этого района, указанные явления в значительной степени связаны с отработавшими газами автомобиля*

Первые юридические документы, ограничивающие допустимую концентрацию вредных компонентов в отработавших газа,выбрасываемых в атмосферу двигателем, были разработаны в 1959 году в США, на освовании калифорнийского опыта*

Начиная с 1969 года во многих европейских странах были введены законы, ограничивающие токсичность отработавших газов.Необходимость соблюдать нормы, установленные законами«заставили изготовителей автомобилей ввести существенные изменения в конструкцию двигателя автомобилей, в результате которых уровень выброса основных токсичных компонентов отработавших газов снизился, примерно, ва 70$Ь* Несмотря на это,отработавшие газы автомобилей и далее продолжают представлять угрозу для жителей больших городов*

В настоящее время в СССР, как и в мире в целом, наблюдается интенсивный рост автомобильного парка, причем, главным образом за счет легковых машин, оборудованных бензиновыми двигателями с искровым зажиганием и дизельным двигателем малых размерностей. В последние годы наметилась тенденция увеличения числа грузовых автомобилей с дизелями, ГАЗ» ЗИЛ* Вопроо о том, какому типу двигателя отдать предпочтение - бензиновому или дизелю,определяется экономическими соображениями.

В "Основных направлениях экономического и социального раэвк» тия СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривается необходимость совершенствования технологических процессов и тренспортных средств с целью сокращения выбросов токсичных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отработавших газов (ОГ) от токсичных примесей.

Данному направлению разработке методики по определению состава, количественной и качественной оценке выхода окислов азота и других токсичных составляющих двигателями внутреннего сгорания особое внимание уделено советскими учеными Алиевым Ш.Д.,Звоновым В.А.,Ларнером Н.0.,Маловым Р.В.,Разлейцевым Н.Ф. и др.

Представленная работа "Экспресс-диагностика концентрации двуокиси азота отработавших газов дизелей методом двухлучевой лазерной спектроскопии" выполнена в соответствии с приказом Минвуза УССР № 322 от 6 июня 1980 года, задание 04.09. "Исследование«разработка и внедрение в производство новых систем снижения токсичного отработанного газа двигателей внутреннего сгорания".

Целью диссертационной работы является разработка анализа выхода двуокиси азота ( Л02) методом двухлучевой лазерной спектроскопии для акспресс диагностики в реальных условиях эксплуатации автомобильного транспорта с двигателями внутреннего сгорания* Для этого решались следующие основные задачи: I. Разработать математическую модель теоретического анализа образования двуокиси азота с учетом количественной оценки состава топлива и, учитывающий образование двуокиси азота на основе окис** лов азота в зависимости от температуры процесса сгорания*

2» Разработать общую методику количественной оценки образования двуокиси азота в выхлопных газах дизельных двигателей в зависимости от температурного, скоростного и нагрузочного режимов par боты»

3» Разработать математический аппарат обработки полученных экспериментальных данных, используя основной закон Бугера-Ламбер-та-Бэра и показать пути снижения погреиности количественной оценки двуокиси азота, применительно 2х лучевой лазерной спектроскопии в двигателям внутреннего сгорания»

4» Доказать справедливость сформулированной гипотезы оценки образования <мог на основе 2х лучевой лазерной спектроскопии»

Научную новизну диссертационной работы представляют следуюдие результаты:

I» Разработана математическая модель теоретического анализа образования двуокиси азота с учетом количественной оценки состава топлива и, учитывающей образование двуокиси азота на основе окислов в зависимости от температуры сгорания»

2» Разработан алгоритм и осуществлено решение с помощью ЭВМ разработанной математической модели, на основе чего установлены закономерности образования двуокиои азота»

3» Разработана общая методика количественной оценки выхода двуокиси азота на основе 2х лучевой лазерной опектроскопии»

4» Разработан математический аппарат обработки экспериментальных данных оценки выхода двуокиси азота на основе 2х лучевой лазерной спектроскопии»

Практическая ценность полученных в диссертации результатов состоит б тон, что смоделирован процесс образования двуокиси азота в зависимости от состава топлива и температуры процесса[ сгорания, разработана экспериментальная установка оценки выхода двуокиси азота на основе двухлучевой лазерной спектроскопии и в разработке математического аппарата обработки экспериментальных данных оценки выхода двуокиси азота»

Результаты моделирования и экспериментальные данные«полученные на разработанной установке 2х лучевой лазерной спектроскопии используются для экспресс диагностики технического состояния двигателя и топливной аппаратуры* Разработка результатов стендовых испытаний образования двуокиси азота в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов использования в учебном процессе при разработке методических указаний к лабораторным работам по курсу "Автомобильные двигатели"•

Диссертационная работа выполнена под научным руководством доктора технических наук профессора БАРСУКОВА С.И. и при постоянном научном консультировании к.ф-м.н. МИХАЙЛОВСКИМ С.С. и к.т.н. доц.ВОЗНЕНКО О.П.

1. Разработана математическая модель оценки выхода двуокиси азота в отработавших газах, с учетом химического состава топлива и времени на основе равновесного состава продуктов сгорания.2. Аналитически установлено равновесное распределение продук тов сгорания дизельного топлива, давления и температуры, позволя ющего определить полноту сгорания и количественную оценку выхода двуокиси азота в зависимости от реаима работы дизеля.3. Установлены области поглощения частот световых лучей,про ходящих через компоненты отработанных газов, на основании кото рого выдвинута гипотеза анализа выхода двуокиси азота в отработан ных газах на основе двухлучевой лазерной спектроскопии.4. Разработана общая методика определения выхода двуокиси азота в выхлопных газах дизеля Д-21А.

5. Разработана конструкция и создана лабораторная установка для экспериментального определения выхода двуокиси азота в выхIll лопных газах дизеля Д-21А.

6* Установлено, что самый эффективный метод снижения выб роса двуокиси азота,- это уменьшение угла опережения впрыска.При уменьшении угла опережения впрыска выброс вследствие снижения наибольшей температуры цикла уменьшается.7, Разработан математический аппарат для обработки экспери ментальных данных анализа выхшда двуокиси азота с помощью двух лучевого лазерного спектрометра на основе закона Бегера-Ламберта Бэра,

1. Брове Д»Д, Сгорание в поршневых двигателях. Пер.с англ.-М.: Машиностроение, 1972, ZZ'^ с ,

2. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкости.-М.: Энергия,1970,552 с .

3. Вибе И.И, Новые о рабочем цикле двигателя.-М.,Машгиз,1962, 272 с .

4. Крылов К.И.,Прокопенко В.Т.,Митрофанов А.С, Применение лазеров в машиностроении и пртборостроении.-Ленинград.Машиностроение, 1978, 336 с.

5. Лавров Н.Б.,Розенфельд Э.И.,Хаустович Г.П. Процессы горения топлива и защита окруаающей среды,-М,:Ме1аллургия,1981,240 с,

6. Пейте В. Определение загрязнений воздуха в атмосфере и на рабочем месте,-Ленинград.: Химия, 1980, 340 с.

7. Ларнер М.О. Регулирование процесса горения в двигателях с искровым зажиганием.-М.: Наука,1972.

8. Малов Р.В, и др. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды.-М,: Транспорт,1982, 200 с. 28« Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию.-М.,Наука,1979, 478 с.

9. Майнойлова В.Е. Приборы контроля окружающей среды,-М.,Атом- издат, 1980, 213 с.

10. Мартин Д.Х. Техника спектроскопии вдальней инфракрасной субмиллиметровой и миллиметровой областях спектра.-М.:Мир,1970, 399 с.

11. Оменто Н. Аналитическая лазерная спектроскопия.-М.,Мир,1982, 606 с.

12. Перегуд Е,А.,Бьковская М.С.,Гернет Е.Б. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе.-М.,Химия,1970• 358 с.

13. Прошкин В.Н. Снижение дымности отработавших газов дизелей.- М.,НИИ информтяжмаш.,1974, 31 с. 3#. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях.-Харьков.,Бища школа, 1980, 169 с.

14. Разлейцев Н.Ф. Полнота сгорания топлива на различных режимах работы двигателя Д70.-Двигатели внутреннего сгорания,1967, вып.5, 9-12 с.

15. Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания.Сб.науч. Стат.-М.: МАДИ, 1978, 65 с.

16. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях.-Ленингр. Машиностроение,1972, 224 с.

17. Смайлис В.И. Малотоксичные двигатели. Особенности конструкции, рабочего процесса и испытания.-Ленинград.: Машиностроение, 1972, 128 с.

18. Снижение токсичности и дымности дизелей.-Тезисы докладов к конференции.-Барнаул,1972.

19. Термодинамические и теплофизические свойства индивидуальных веществ.-т. I и 2, изд-во АН СССР, 1962, 2078 с.

20. Филипов А.З. Токсичность отработавших газов тепловых двигателей.-Киев: Вища школа, 1980, 160 с.