автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Метод совершенствования стартовых экологических характеристик двигателя и системы нейтрализации

На правах рукописи

□и—- ^

Герасименко Сергей Анатольевич

МЕТОД СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СТАРТОВЫХ

ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

2 6 НОЯ 2009

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2009

003484350

Работа выполнена в Российском университете дружбы народов

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Фомин Валерий Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кавтарадзе Реваз Зурабович;

кандидат технических наук, Сайкин Андрей Михайлович.

Ведущая организация: Московский автомобильно-дорожный институт

(государственный технический университет).

Защита диссертации состоится «17» декабря 2009 г. в 140С часов на заседании диссертационного Совета Д 212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, 38, МГТУ «МАМИ», ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «МАМИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим Вас направлять по адресу Университета ученому секретарю диссертационного Совета. С авторефератом можно ознакомиться на сайте МГТУ «МАМИ» - www.mami.ru

Автореферат разослан «1 б» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема экологической безопасности неуклонно растущего автотранспортного комплекса России требует ог промышленности внедрения новых перспективных технологий, обеспечивающих автомобилю выполнение все более ужесточающихся нормативных требований по выбросу вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Доля автотранспорта в общих выбросах вредных веществ составляет около 35 %, в городах этот показатель значительно выше и в отдельные периоды может достигать 60...80 %.

Рост автомобильного парка требует периодического обновления стандартов и ужесточения нормативных требований по выбросу вредных веществ автотранспортными средствами (АТС). В соответствие с техническим регламентом «Об экологической безопасности транспортных средств» (Директива 2003/76 ЕС), который на государственном уровне отражает национальную программу по повышению экологической безопасности отечественного автотранспортного комплекса, в 2010 г. в России планируется переход на нормы ЕВРО-4 с последующим плановым переходом на европейские стандарты и правила по процедурам испытаний. Существующая процедура испытательного цикла предусматривает отбор проб после пуска непрогретого двигателя. При этом, как показывает опыт, 60...80% СО, СН от суммарного количества за испытательный цикл выбрасывается в его начальной фазе. Основными причинами снижения экологических качеств автомобиля в этих условиях являются неэффективная работа системы нейтрализации и повышенная концентрация СО, СН на выходе из двигателя, обусловленная характером протекающих процессов смесеобразования и сгорания в условиях непрогретого ДВС.

Одним из наиболее эффективных и энергетически выгодных способов ускоренного прогрева и улучшения стартовых (на начальном этапе испытательного цикла) характеристик системы нейтрализации ОГ (СНОГ) является электрохимический способ с использованием химических соединений (реагентов), вводимых в проточный тракт нейтрализатора. Отдельным и еще мало исследованным методом по ускоренному выводу каталитического блока на режим активного функционирования является применение водородного реагента. Актуальной задачей отечественного автомобилестроения является также совершенствование конструкции автомобильных систем нейтрализации в направление снижения себестоимости производства.

Поиск наиболее экономически целесообразного и эффективного решения социально важной проблемы, связанной с улучшением экологических характеристик автомобильных ДВС и СНОГ, обусловил целесообразность проведения данного исследования.

Целью диссертационной работы является: разработка комплексного метода повышения экологических качеств автомобильной энергетической установки с бензиновым двигателем путем совершенствования показателей его рабочего процесса в пери-

од пуска и прогрева и стартовых характеристик системы нейтрализации отработавших газов.

Исходя из поставленной дели, определены следующие задачи исследования.

1. Сформулировать и методически обосновать комплексный метод улучшения стартовых экологических показателей автомобильного двигателя и ускоренного прогрева его системы нейтрализации на основе использования водородного реагента.

2. Провести расчетно-теоретическое исследование влияния на температурно-энергетическое состояние рабочего тела в выпускном тракте ДВС и эффективность системы нейтрализации режимных и регулировочных параметров двигателя, работающего на водородосодержащем топливе, в период его холодного пуска и прогрева.

3. Разработать систему средств и технических решений для реализации предложенного комплексного метода, адаптированную к условиям работы двигателей автомобилей семейства ВАЗ.

4. В рамках реализации предложенного метода исследовать возможность оптимизации состава драгметаллов, используемых в качестве катализаторов, с целью снижения стоимости системы нейтрализатора ОГ двигателя.

5. Разработать методику и на ее основе провести серию экспериментальных исследований на моторном стенде для проверки эффективности предложенной системы средств и технических решений, реализующих концепцию предложенного метода.

6. Провести исследование автомобиля с бензиновым ДВС на стенде с беговыми барабанами по методике Европейского испытательного цикла с целью оценки эффективности предложенного метода в условиях эксплуатации.

7. Провести оценку эколого-экономической целесообразности внедрения предложенного метода (на примере автомобильного парка г. Москвы) по уровню предотвращенного ущерба окружающей среде города.

Методы исследования. При выполнении работы применялись расчетно-аналитические и экспериментальные методы исследования. Экспериментальные исследования проводились по разработанной методике на специализированном моторном стенде, а также в условиях стандартного испытательного цикла на стенде с беговыми барабанами.

Достоверность полученных результатов обеспечена адекватностью данных аналитических и экспериментальных исследований, а также использованием современного измерительного оборудования и приборов с соблюдением государственных стандартов.

Научная новизна. Научно - методически обоснованы и исследованы основные принципы подхода к проблеме комплексного повышения стартовых экологических показателей автомобильного двигателя и СНОГ на основе разработки:

- феноменологической модели, позволяющей реализовать комплексный метод улучшения экологических качеств двигателя на основе совершенствования его показателей и ускоренного прогрева системы нейтрализации с использованием водородного реагента;

- методики расчегао-теоретического исследования влияния на температурно-энергегическое состояние рабочего тела на выпуске ДВС и эффективность системы нейтрализации режимных и регулировочных параметров двигателя, работающего на водородосодержащем топливе, в период его пуска и прогрева;

- методики согласования температурно-энергетического потенциала теплоносителя и энергетических затрат на синтез водородосодержащего продукта;

- методического обоснования процедуры формирования рациональной системы технических решений для реализации предложенного метода.

Практическую значимость работы представляют следующие положения:

1. Разработанные рекомендации по совместному использованию синтезированных в бортовой системе водородосодержащих продуктов в качестве химического реагента обеспечивают устойчивую работу двигателя на обедненной смеси в период его прогрева, снижение выбросов с ОГ СН и СО до 75 и 55% соответственно, ускорение прогрева нейтрализатора в 5,6 раза.

2. Реализация предложенного метода обуславливает возможность уменьшения выбросов автомобилем ВАЗ за период «холодной» фазы испытательного цикла: СН на 45%, СО на 40%, ИОх до 28% по сравнению с его серийным аналогом. За весь испытательный цикл выбросы этих компонентов ОГ снижаются на 36, 34 и 12% соответственно, что позволяет гарантированно реализовать требования перспективных для российского автотранспортного комплекса Правил 83-05 ЕЭК ООН (ЕВРО-4).

3. Внедрение предложенного метода только в среде парка автомобилей ВАЗ г. Москвы позволит снизить суммарный экологический ущерб окружающей среды города от выбросов вредных веществ более, чем в 2,2 раза по сравнению с экологическим классом АТС ЕВРО-3.

4. При применении метода создаются предпосылки к уменьшению на 25% содержания драгметаллов платиновой группы в каталитических нейтрализаторах ОГ ДВС при сохранении их исходной эффективности.

5. Концептуальные принципы, положенные в основу предложенного метода, предопределяют возможность дальнейшего совершенствования экологических характеристик автомобильных двигателей и их систем нейтрализации до уровня, при котором обеспечивается удовлетворение требований перспективного европейского стандарта (ЕВРО-5).

б

Объектом исследования являлся двигатель автомобиля ВАЗ-2112 с опытными системами синтеза водородосодержащего продукта и каталитической нейтрализации ОГ.

Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные результаты проведенного исследования переданы в ФГУП ГНЦ «НАМИ» для использования при выполнении программ фундаментальных и поисковых исследований. Материалы диссертации и ее результаты используются в учебном процессе кафедр «Эксплуатация автотранспортных средств» РУДН и «Автомобильные и тракторные двигатели» МГТУ «МАМИ».

Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседаниях кафедр «Эксплуатация автотранспортных средств» Российского университета дружбы народов и «Автомобильные и тракторные двигатели» Московского государственного технического университета «МАМИ».

По основным разделам диссертации был сделан доклад на XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», ВлГУ, май, 2008, г.Владимир.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 2 в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 95 наименований. Материалы диссертации изложены на 149 странице машинописного текста, иллюстрированного 19 таблицами и 52 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования проблемы экологического совершенствования автомобильных двигателей и их систем нейтрализации ОГ; приведена общая характеристика диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации проанализированы основные проблемы улучшения экологических качеств транспортных ДВС. Исследования, посвященные поиску рациональных решений данных проблем, выполнены за последние годы в ряде научно-исследовательских и учебных центров России, а также за рубежом. Работы, отражающие данное научное направление, осуществлены такими учеными, как В.И.Ерохов, В.А. Звонов, H.A. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе, В.Ф. Каменев, В.Ф. Кутенёв, В.Н. Луканин, A.M. Сайкин, В.М. Фомин, H.A. Хрипач, М.Г.Шатров и др.

В настоящее время плановые работы в области совершенствования экологических характеристик ДВС и их систем нейтрализации ОГ ведутся по разным направлениям в Государственном научном центре ФГУП «НАМИ», ОАО «АвтоВАЗ», МГТУ «МАМИ» и др. организациях. Целевыми задачами этих работ являются поиск наиболее экономи-

чески целесообразного и эффективного решения проблемы удовлетворения нормативных требований Директивы 2003/76 ЕС.

Приводится анализ методов и средств по улучшению стартовых экологических характеристик автомобильных ДВС с системами нейтрализации ОГ. Отмечается, что методы, основанные на применении камер сгорания и электронагревателей для ускорения выхода системы нейтрализации на режим эффективной работы, сложны и энергоемки. Одной из наиболее эффективных и энергетически выгодных мер ускоренного прогрева этих систем является использование химических реагентов, особое место среди которых занимает водород. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи данного исследования.

Во второй главе излагается комплексный метод рационального решения проблемы повышения стартовых экологических качеств автомобильных ДВС и их систем нейтрализации ОГ. Данный метод реализуется на основе использования водородосодержа-щего продукта для совершенствования процесса сгорания ДВС и ускоренного стартового нагревания нейтрализатора. Метод в своей основе базируется на современной научно-технической тенденции развития двигателестроения, которая, предвещает формирование в течение ближайших десятилетий нового глобального технологического уклада, основанного на водородной энергетике и технологиях. Предлагаемый комплексный метод включает в себя две взаимосвязанные стадии (компоненты) его реализации.

Первая стадия связана с использованием водородосодержащего активатора - продуктов конверсии метанола (ПКМ) в качестве компонента смесевого топлива для организации рабочего процесса двигателя после его холодного пуска на обедненных смесях (рис.1). В этом случае эмиссия токсических веществ непрогретого двигателя существенно уменьшается. Кроме того, в условиях режима горения бедной топливно-воздушной смеси обеспечивается концентрация в ОГ «избыточного» кислорода, что принципиально важно для реализации второй стадии.

Вторая стадия предусматривает использование водородосодержащих ПКМ в качестве химического реагента для ускорения прогрева нейтрализатора. Продукты конверсии, содержащие свободный водород, вводятся в газовую среду проточного тракта нейтрализатора (рис.1). Смесь водорода и кислорода, экзотермически окисляясь (без проявления видимого пламени) на поверхности катализатора, выделяет большое количество теплоты (низшая теплота сгорания Я? равна 120000 кДж/кг). Эта теплота под воздействием газового потока активно диффундирует и быстро распределяется по сотовой структуре монолитной основы катализатора, способствуя его непосредственному эффективному (объемному) нагреванию. При этом необходимая химическая (тепловая) мощность нагревания может быть обеспечена при окислении незначительного количества водорода в условиях максимальной эффективности объемного теплообмена по

сравнению, например, с эффективностью электрического контактного способа подогрева.

Кроме того, взаимодействие водорода с кислородом позволяет извлечь (химически связать) свободный кислород из компонентного состава ОГ, что формирует необходимые условия для реализации восстановительных реакций на бифункциональном катализаторе для нейтрализации оксидов азота.

Оставшийся в ОГ водород, как химически активный реагент, повышает уровень реакционной способности катализатора даже при относительно низких температурах.

Для реализации метода был использован малогабаритный реактор конверсии метанола, установленный в выпускной системе ДВС (рис.1). Технология бортового синтеза водородосодержащего газа (синтез - газа) на основе термокаталитической конверсии метанола была разработана ранее в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», РУДН и МГТУ «МАМИ».

Обедненная смесь: бензин + ПКМ

Рис.1. Комплексный метод повышения показателей работы непрогретого ДВС и ускоренного про-1рева нейтрализатора с использованием водородного реагента.

Разработке опытной конструкции реактора, адаптированного к объекту исследования (двигателю автомобиля ВАЗ-2112), предшествовал расчетно-теоретический анализ его производительности с учетом специфики требований к реализации предлагаемого метода. Наибольшая степень конверсии метанола, может быть достигнута при определенном уровне энергетического потенциала и температурного состояния греющего теплоносителя (ОГ). Необходимость в интенсивном подводе теплоты к реакционной зоне вызвана, прежде всего, проявлением высокого эндотермического эффекта реакции разложения метанола (4,2 МДж/кг). Часть тепловой энергии ОГ расходуется на нагревание и испарение метанола.

Важной особенностью при организации процесса конверсии с использованием теплоты ОГ является проявление энергосберегающего эффекта. В результате эндотермического преобразования в реакторе химическая энергия продуктов конверсии метанола (ПКМ) возрастает (согласно известному закону Гесса) по отношению к энергии исходного продукта (метанола) на величину, равную количеству утилизированной энергии теплоносителя, то есть 4,2 МДж/кг. Такой способ утилизации отводимой с ОГ тепловой энергии назван термохимической регенерацией теплоты ОГ. Из сказанного следует, что при реализации предлагаемого метода применение добавки водородосодержащих ПКМ к рабочему телу способствует существенному повышению топливной экономичности ДВС, которое вызвано совокупным проявлением двух факторов. Во-первых, совершенствованием кинетических параметров процесса сгорания с участием водородного активатора. Во-вторых, частичной утилизацией теплоты ОГ (эффект термохимической регенерации). Дополнительная экономия топлива обеспечивается возможностью организации рабочего цикла двигателя на обедненных горючих смесях за счет введения в их состав водородосодержащей добавки.

Оборудование ДВС реактором конверсии метанола вызывает необходимость выявления необходимых условий эффективной его работы в зависимости от режима работы двигателя. С этой целью разработана методика, основанная на рассмотрение уравнений баланса энергетических потоков для системы «двигатель — реактор», которая позволила определить производительность реактора по целевому продукту (водороду) для конкретного режима работы ДВС. Получена зависимость, устанавливающая функциональную связь между производительностью реактора и нагрузочными и скоростными параметрами ДВС.

С учетом целевой задачи исследования производительность реактора конверсии по выходу водородного компонента для конкретного режима работы ДВС должна совокупно удовлетворять двум условиям:

- условию необходимой компенсации энергетических затрат на организацию эндотермического процесса конверсии метанола (необходимое условие);

- условию обеспечения полного окисления избыточного кислорода, содержащегося в ОГ (достаточное условие).

С использованием разработанной методики проведено исследование возможности удовлетворения этих условий для режима холостого хода двигателя. Установлено, что для рассматриваемого режима работы ДВС соответствие условий по расходу водорода обнаруживается при температуре ОГ на входе реактора 600°С и расходе метанола через реактор 0,7 кг/ч.

Исследован гипотетический вариант, при котором не обнаруживается строгого соответствия по рассмотренным выше условиям. Например, при пониженном значении температурно-энергетического потенциала (энтальпии) ОГ процесс конверсии может

оказаться незавершенным, то есть не всё количество метанола, поступившего в реакционное пространство, а только его часть подвергается термохимическому преобразованию с уменьшенным выходом водородного компонента. Тем не менее, этот химически активный реагент способен проявлять целевую способность, обеспечивая предварительный прогрев каталитического блока. При этом часть непрореагировавшего метанола в парообразном состоянии будет поступать в нейтрализатор, и также проявлять себя как химический реагент (при окислении на платиновом катализаторе 5 мл метанола выделяется около 50 кДж тепловой энергии). Правомерность выводов расчетного анализа была позднее подтверждена данными натурного эксперимента.

Для поиска эффективных мер по совершенствованию параметров рабочего процесса ДВС и ускорению стартового прогрева реактора и нейтрализатора проведено расчетное исследование динамики изменения температурно-энергетического состояния рабочего тела на выпуске для периода холодного пуска и прогрева двигателя. Логическая структура исследования изначально предполагала необходимость комплексного изучения процессов, протекающих в камере сгорания двигателя и в полостях выпускного тракта.

С этой целью был разработан расчетно-аналитический комплекс, включающий в себя два взаимосвязано функционирующих модуля:

1)модуль расчета рабочего цикла ДВС, позволяющий определять текущую температуру ОГ на выходе из цилиндров двигателя (с учетом нестационарного характера отвода теплоты в непрогретые стенки камеры сгорания двигателя);

2) модуль расчета, позволяющий определять изменение температурно-энергетического потенциала теплоносителя по длине выпускного тракта ДВС (с учетом изменения (в пространстве и времени) интенсивности отвода теплоты в стенки тракта).

При моделировании рабочего цикла ДВС количество теплоты, воспринимаемое за элементарное время Дт поверхностями стенок камеры сгорания, определялось численным интегрированием уравнения Ньютона-Рихмана (1):

А е^аДг-Т^Ядт, (1)

где /V, Т„ - текущие значения площади и температуры тепловоспринимающей поверхности камеры сгорания соответственно; Т - текущая температура рабочего тела (как функция угла поворота вала); а„ - коэффициент теплоотдачи от рабочего тела к поверхностям теплообмена.

Изменение температуры тепловоспринимающей поверхности КС Т„ в период прогрева двигателя оценивалось на основе совместного (численного) интегрирования уравнений (2) теплоотдачи Ньютона и теплопроводности Фурье для суммарной плотности теплового потока:

» д^. ■ <2)

где X - коэффициент теплопроводности материала стенок камеры сгорания; Тср - среднее значение температуры рабочего тела на расчетном участке рабочего хода; Тох -температура охлаждающей жидкости; Дгч- расчетная продолжительность цикла; и т„ - теплоемкость и масса теплообменных стенок КС с осредненной толщиной 3; ДГН. - изменение температуры стенки на расчетном шаге.

Из арсенала а-формул, используемых для определения текущего коэффициента ак, была выбрана зависимость проф. Р.З.Кавтарадзе (3), которая получена автором с учетом особенностей тепловыделения (закона выгорания топлива) и закономерностей, характерных для нестационарной задачи, что наиболее полно соответствует заданным условиям данного исследования:

= + (3)

Я. • Ах

где — - ^ ' б^Р^^Р111"™ комплекс; Ь - коэффициент проникновения теп-

лоты для пограничного слоя; ср - изобарная теплоемкость заряда; Ни - низшая теплота сгорания топлива; С/ и С2 — постоянные коэффициенты.

Относительная доля тепловыделения Ах для каждого расчетного шага А<р определялась с учетом принятого при моделировании закона тепловыделения, предложенного проф. И.И. Вибе.

Для поиска характера изменения температуры теплоносителя по длине выпускного тракта моделировался процесс нестационарного теплообмена при движении газа в цилиндрической трубе с использованием метода Фурье.

С учетом вынужденного движения газовой среды относительно поверхности теплообмена, для каждого расчетного участка исходные уравнения (Фурье - Остроградского) сохранения энергии для газа и стенок трубы преобразовывались к виду:

(9Т0Г дТдр\_ дгТ0Г

дТтр _ д2ТТР Р'"р ' с>тр дт -^гг дх2 • (5)

где рог, Тог и ср0Г - плотность, температура и изобарная теплоемкость газа; рТр, Тур , Сутр и ХТР - плотность, температура, изохорная теплоемкость и теплопроводность материала выпускного трубопровода; у>ог~ усредненная по сечению трубопровода скорость газа; д- - осевая координата.

Достоверность результатов моделирования во многом определяется корректностью задания величин коэффициентов теплоотдачи. Оценка этих коэффициентов проводилась следующим образом. В процессе предварительного испытания нейтрализатора (без подачи водородного реагента) на моторном стенде было зафиксировано, что температура ОГ на выходе нейтрализатора в течение длительного времени (примерно 50 с) сохранялась на постоянном уровне (60°С). Анализ показал, что наблюдаемое «плато» в динамике прогрева нейтрализатора было обусловлено затратами тепловой энергии на процессы конденсации и испарения воды, находящейся в ОГ, при их соприкосновении с холодной поверхностью проточного тракта. Поэтому процесс моделирования прогрева стенок выпускного трубопровода делился на две фазы - это начальная - «холодная фаза» (здесь интенсивность теплопередачи определяется водяной пленкой) и основная («горячая фаза»). Для каждой из этих фаз были применены следующие соотношения:

Ыи = 0,023 Рг Ке - для влажной поверхности (холодная фаза);

Ш = 0.571 Яе— I - для сухой поверхности (основная - «горячая фаза»).

Переход от уравнений «холодной фазы» к уравнениям «основной фазы» осуществляется в зависимости от температуры стенок выпускного тракта. Если температура стенок меньше температуры «точки росы», то это «холодная фаза», а если больше -«основная фаза».

Влияние изгиба (индекс «изг») трубы диаметром О на процесс теплообмена было учтено с помощью коэффициента (6):

Р 2Ш

Ми 11е0,14 йшг ' (6)

Очевидно, интенсивность теплообмена зависит от пульсаций потока газа в выпускном тракте, что учитывалось с помощью пульсационного коэффициента £,п, численное значение которого принималось по литературным данным. На базе разработанной математической модели была отлажена рабочая программа с учетом возможности ее реализации на ПЭВМ. Идентификация и проверка достоверности расчетной методики проводились с использование данных эксперимента (по показаниям малоинерционных термопар с показателем тепловой инерции 0,5 секунды, установленных в элементах проточного тракта ДВС). Максимальное расхождение данных расчета и эксперимента не превышало 7%.

По данным расчетного исследования определены: температурно-энергетический потенциал теплоносителя для различных участков выпускного тракта; объем реакционного пространства реактора; целесообразное место его установки в тракте и производи-

телыюсть по водороду в зависимости от режимных и регулировочных параметров двигателя.

В третьей главе обосновываются задачи экспериментальных исследований, приводится описание объекта исследований; излагаются методики проведения исследований, а также дается оценка точности проведенных измерений. Исследования проводились в два этапа: на моторном стенде, а также на стенде с беговыми барабанами по методике стандартного испытательного цикла.

На испытательный стенд VSETIN (Чехия) был установлен двигатель автомобиля ВАЗ-2112 в стандартной комплектации. Стенд оборудован штатными измерительными и контрольными приборами в соответствии с требованиями ГОСТ14846 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Для определения содержания в ОГ оксида углерода и углеводородов применялся быстродействующий газоанализатор инфракрасного типа модели МЕХА-554 фирмы «Хориба». Измерения содержания оксидов азота проводились на газоанализаторе хемилюминесцентного типа фирмы «БЕКМАН». Погрешность показаний газоанализаторов ±2%. Кроме стандартного исследовательского комплекса, в состав стендового оборудования входили (рис.2): система генерирования водородосодержащего газа; система распределения и дозирования этого газа; электронный блок управления потоками рабочих сред.

В программируемом электронном модуле управления топливоподачей исходные программы откорректированы с учетом работы двигателя на различных топливах. Для холодного пуска ДВС, переключатель устанавливается по схеме штатного электропитания топливными форсунками, обеспечивающими подачу бензина в течение периода пуска двигателя и его работы до момента прогрева реактора. С этого момента в двигатель одновременно с бензином вводятся водородосодержащие продукты конверсии метанола (ПКМ), причем в штатной системе питания бензином производится автоматическая корректировка на бедный состав смеси.

Расход водородосодержащего газа, поступающего в двигатель, контролировался запорным клапаном и регулировался форсункой с электромагнитным управлением. Подача ПКМ в нейтрализатор управлялась электромагнитным клапаном. Реактор конверсии метанола, установленный в непосредственной близости от двигателя, по данным расчетного исследования был адаптирован по своим расходным характеристикам с энергетическими параметрами теплоносителя (ОГ).

Апробация предложенного метода на автомобиле проводилась в научно-исследовательской лаборатории стендовых и сертификационных испытаний автомобилей ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». Испытание автомобиля осуществлялось в соответствии с принятой в качестве Государственного стандарта в РФ процедурой Правил 83 ЕЭК ООН по городскому и загородному испытательным циклам (Urban and extra urban drive cycles). Динамометрический стенд укомплектован беговыми барабанами фирмы «Доль-

нер» со сменными инерционными массами, газоаналитическим комплексом АМА-2000 и системой отбора проб фирмы «Пирбург». Стенд оборудован прибором «путь-время» фирмы «Пирбург», задающим программу движения в соответствии с принятым испытательным циклом и счетчиком пути. Измерение скорости производилось с погрешностью не более ± 1 км/ч, измерение пути - с погрешностью не более ± 0,5%.

Рис.2. Схема испытательного стенда для апробации предложенного метода: 1 —топливный бак; 2 —топливный насос; 3 — фильтр очистки топлива; 4- электромагнитная форсунка подачи ПКМ в двигатель; 5 — воздушный фильтр; б — бензиновая форсунка; 7 — динамометр тормозного устройства; 8 — газоанализатор; 9 — двигатель; 10 — нейтрализатор; 11 - электромагнитный клапан управления подачей метанола в реактор; 12- реактор конверсии метанола; 13 - теплообменник; 14 — емкость хранения метанола; 15 — глушитель; 16 — блок распределения потока ПКМ; 17 —■ электромагнитный клапан управления подачей ПКМ в двигатель; 18 — орган управления перераспределением потока ОГ; 19- электромагнитный клапан управления подачей ПКМ в нейтрализатор; 20 -датчик контроля температурного состояния блока нейтрализатора; 21 - датчик контроля температурного состояния реактора.

Четвертая глава диссертации посвящена анализу результатов исследования. На начальной стадии экспериментальных исследований на моторном стенде с учетом результатов, полученных на основе данных расчетного анализа, проведена экспериментальная проверка мер повышения температурно-энергетического потенциала теплоносителя и ускоренного разогревания реактора.

Меры ускоренного разогревания реактора за счет повышения нагрузки непрогре-того двигателя, по существу, носили паллиативный характер. Работа под нагрузкой не-прогретого двигателя сопровождается чрезмерно высоким выбросом токсичных (нор-

мируемых) продуктов неполного сгорания (СО и СН). Общеизвестно также, что работа на нагрузочных режимах «холодного» ДВС сопровождается повышенным износом его деталей, сокращая тем самым ресурс работы двигателя.

Прогнозируемые расчетным анализом совокупные меры по ускорению прогревания реактора за счет умеренного увеличения частоты вращения вала ДВС (п = 2000 мин '') и соответствующей (оптимизированной) коррекцией угла опережения зажигания (УОЗ) позволили обеспечить необходимую интенсивность прогрева приточной зоны теплообменного модуля реактора до рабочей температуры 300°С (4...5 с). Подобная динамика прогрева реактора способствует сокращению времени выхода его на эффективный режим работы до 8 с.

Согласно предлагаемого комплексного метода снижение совокупных выбросов токсичных продуктов неполного сгорания (СО и СН) за период «холодной» фазы испытательного цикла достигается не только благодаря ускоренному прогреву СНОГ, но и за счет совершенствования экологических качеств ДВС. Изучению этого вопроса был посвящен последующий раздел экспериментальных исследований. Спустя 8 с после выхода ДВС на режим холостого хода и прогрева реактора во впускной тракт двигателя через электромагнитную форсунку вводятся ПКМ. С этого момента питание ДВС осуществлялось смесевым водородосодержащим топливом (бензин + ПКМ), а топливно-воздушная смесь обеднялась, и ее состав поддерживался на уровне, соответствующем коэффициенту избытка воздуха (а) 1,25.

В начальный период после пуска ДВС прослеживалось интенсивное возрастание содержания в ОГ несгоревших углеводородов, которое через 8 с достигало уровня 500 ррт (рис.3). С момента поступления в цилиндры водородосодержащих ПКМ регистрировалось столь же быстрое снижение концентрации СН, которая через 15 с достигала своего устойчивого значения, приблизительно 160 ррт. Отметим для сравнения, что с использованием в качестве основного топлива бензина содержание в ОГ СН быстро повышается после запуска ДВС и достигает за 20 с устойчивого значения, примерно 1500 ррт (рис.3).

Расчеты, проведенные с использованием данных по замеренным текущим концентрациям, показали, что совокупная масса выбросов СН за время 20 секунд работы двигателя на водородосодержащем смесевом топливе оказалась на 75 % меньше, чем при работе на бензине. Данное наблюдение подтверждает высказанное ранее предположение о высокой реакционной способности водорода в процессах окисления (сгорания) углеводородов. Безусловно, что наряду с проявлением данного свойства Нна снижение содержания в ОГ СН оказывает фактор обеднения смеси. Для установления доли влияния каждого из этих двух факторов на результирующее снижение концентрации СН проведено дополнительное исследование двигателя, работающего на стехиометри-ческом составе смесевого топлива (рис.3). Перевод ДВС на питание обедненной смесью

(а = 1,25) по сравнению с его работой на смеси со стехиометрическим составом (« = 1,0) способствует снижению концентрации в ОГ углеводородов в среднем на 35%.

Регистрируемая опытом динамика изменения концентрации в ОГ оксида углерода с момента пуска двигателя при его работе на бензине характерна большинству современных ДВС. К концу 40-ой секунды работы ДВС после его холодного пуска рост концентрации в ОГ СО приостанавливается, сохраняясь на уровне 0,65% (рис.4). Водоро-досодержащая добавка к рабочему телу ДВС при его работе на обедненном составе смеси обуславливает снижение содержания в ОГ оксида углерода (рис.4), что связано с совместным проявлением двух факторов, сущность которых была рассмотрена выше. Установлено, что совокупная масса выбросов СО за время 40 секунд работы двигателя на водородосодержащем смесевом топливе оказалась на 55 % меньше, чем за этот же период при работе ДВС на бензине.

СП, ррт 1400 1200 ЮОО BOO

еоо

400 ZOO

Рис. 3. Динамика изменения концентрации в ОГ углеводородов с момента пуска и прогрева двигателя при его работе на различных топливах и составах смеси.

со.

0.7 О. 6 О, В 0,4

о.з о,г

о, 7

Рис. 4. Динамика изменения концентрации в ОГ оксида углерода с момента пуска и прогрева двигателя при его работе на различных топливах и составах смеси. Работа двигателя на водородосодержащем топливе с обедненным составом смеси

обуславливала уменьшение уровня концентрации в ОГ оксидов азота более, чем на порядок по сравнению с бензином. Наиболее важным фактором, способствующим такому существенному снижению ЫОх, является работа ДВС на водородно-топливной композиции с бедным составом смеси.

л-- энзим, сг - 1.0

I

/ Бонз и н * ПКМ, а «1,25

А Бензин •*■ ПКМ, ст = »1,0

/

/

ТО 20 ЗО 40 Воеыя, с

Однако, есть также второй фактор, дополнительно усиливающий этот эффект. Продукты конверсии содержат в своем составе инертные компоненты - С02 и воду. Эти компоненты выполняют ту же самую функцию, что и рециркуляция ОГ, разбавляют то-пливно-воздушную смесь и снижают температуру сгорания. Это объяснение находит подтверждение в том, что при работе ДВС на смесевом топливе (бензин + ПКМ) даже при стехиометрическом составе смеси обеспечивается более низкий уровень эмиссии NOx, чем при работе на бензине.

На последующем этапе исследования проведена оценка влияния водородного реагента на интенсивность разогревания каталитического блока нейтрализатора. Установлено, что интенсивность (динамика) нагревания нейтрализатора при подаче в его проточный тракт водородного реагента возрастает в 5,6 раза.

Окончательная апробация метода осуществлялась на автомобиле. Сначала были проведены испытания автомобиля по методике первой, «холодной» фазы (195-секундного периода) городского цикла (Urban cycle) с целью выявления эффективности СНОГ при холодном старте. Смысл данных исследований заключался в том, что 195-секундное испытание автомобиля после пуска непрогретого ДВС позволяет оценить эффективность работы СНОГ на этой «проблемной» фазе и прогнозировать экологические качества АТС за весь испытательный цикл NEDC (New European Driving Cycle).

Подача водородосодержащих продуктов конверсии в ДВС и нейтрализатор проводилась в течение 20 с после выхода реактора конверсии метанола на рабочий режим. При этом первые 8 с (период прогрева реактора) после холодного пуска двигатель автомобиля работал в штатных условиях на бензине.

Общий расход ПКМ (метанола) за 20 с работы ДВС составил 11,55 г, а по водороду 1,65 г. Таким образом, только 0,2 МДж химической энергии водорода, содержащегося в компонентном составе ПКМ, использовалось при испытании. Это составляет 1,8% от всей химической энергии топлива, затраченной при испытаниях (рис.5). Заметим, что расчетное потребление метанола в течение 1000 км эксплуатационного пробега автомобиля в предположение, что количество пусков ДВС в течение этого пробега - 200, составит примерно 5 кг.

Исследования показали, что реализация предложенного метода на АТС способствует уменьшению выбросов на «холодной» фазе ездового цикла: СН на 45%, СО на 40% по сравнению с базовым аналогом (серийной СНОГ) (рис.5). Одновременно с этим регистрировалось снижение выбросов NOx на 28%.

В ходе проведения исследования было также установлено, что в период неполного прогрева реактора (при частичной конверсии метанола) подача метанольных продуктов в ДВС также сопровождалась, хотя и в меньшей степени, снижением содержания в ОГ продуктов неполного сгорания (СО и СН), очевидно, благодаря содержанию в химическом составе спиртового соединения (СН3ОН) кислорода. Одновременно с этим регист-

рировался эффект очистки ОГ по этим же компонентам СО, СН в течение периода, когда температурное состояние нейтрализатора еще не достигало штатного условия «lightoff». С учетом полученных результатов проведена корректировка программы, управляющей топливоподачей, а, именно, подача в ДВС метанола в парогазовом состоянии из реактора осуществлялась с момента его холодного старта.

Целью последующего этапа испытаний явилось выявление возможности снижения загрузки драгметаллов нейтрализатора за счет применения предложенного метода.

I 0,2 МДж н,

■■■ - холодный пуск ДВС и работа на бензине в течение всего испытания (исходный вариант};

I I - холодный пуск ДВС на смеси бензина и ПКМ с подачей ПКМ в нейтрализатор в течение 20 секунд и с после дующим переводом ДВС на питание бензином.

Рис.5. Сравнение результатов испытания автомобиля по методике «холодной» (195-секундной) фазы ездового цикла без прогрева нейтрализатора и с его химическим разогреванием водородным реагентом.

При испытаниях использовались два экспериментальных нейтрализатора (производитель ОАО «АвтоВАЗагрегат») для автомобилей АО «АвтоВАЗ» с различной величиной их загрузки драгметаллами: 30 и 20 г/фут1. В качестве контрольного варианта использовался серийно выпускаемый ОАО «АвтоВАЗагрегат» нейтрализатор с загрузкой драгметаллами 40 г/фут3, удовлетворяющий нормативным требованиям Стандарта ЕВРО-3.

Испытания на автомобиле, оснащенного штатной СНОГ, подтвердили тенденцию ухудшения эффективности работы нейтрализаторов с уменьшенной загрузкой блоков драгметаллами. Особенно четко проявляется снижение окислительной способности нейтрализатора по СО и СН в условиях холодного старта. Уменьшение загрузки нейтрализаторов драгоценными металлами от уровня серийного блока (с содержанием драгметаллов 40 г/фут3) до 30 г/фут3 и 20 г/фут3 при сохранении соотношения Pt\Rh = 5:1 снижает их эффективность нейтрализации по СО и СН в среднем в 1,5 и 2,5 раза соответственно. Падение эффективности очистки по NOx оказалось значительно меньшим.

Работа нейтрализаторов с такими же блоками в составе опытной СНОГ с использованием водородного реагента характеризуется существенным повышением их эффек-

тивносги. Для нейтрализатора с серийным блоком совокупная эффективность конверсии по СО за испытательный цикл возросла на 36%, по СН - на 34%, по ЫОх — на 12% и соответствовала по всем нормируемым компонентам ОГ требованиям ЕВРО-4 с некоторым запасом. Для нейтрализатора с блоком с загрузкой драгметаллов 30 г/фут3 выбросы по всем токсическим компонентам ОГ за цикл были снижены благодаря использованию водородного реагента до уровня, обеспечивающего с запасом нормативные требования ЕВРО-3.

На заключительном этапе проведены испытания автомобиля ВАЗ-2112 на стенде с беговыми барабанами НАМИ по методике испытательного цикла ЫЕБС правил 83 ЕЭК ООН. В соответствие с концепцией предлагаемого метода двигатель автомобиля, оснащенный в исходном варианте серийной СНОГ, в последующем переоборудовался с целью реализации этого метода. Результаты испытаний приведены на рис.6 и 7.

Рис.6. Выбросы СН на испытательном цикле NEDC: ----автомобиль с опытной СНОГ;--автомобиль со штатной СНОГ.

О ZOO 400 еоо BOO tOOO 1200 Время, с

Рис.7. Выбросы СО на испытательном цикле NEDC: ----автомобиль с опытной СНОГ ;--автомобиль со штатной СНОГ.

Выбросы нормируемых компонентов ОГ: СН, СО и NOx при испытаниях автомобиля с опытной СНОГ по методике ездового цикла NEDC составили: 0,08 г/км; 0,85 г/км\ 0,076 г/км соответственно, и соответствовали с некоторым запасом нормативным требования Правил 83-05 ЕЭК ООН (ЕВРО-4). По сравнению с серийным аналогом выбросы этих компонентов снижены на 34, 36 и 12% соответственно.

Для оценки эколого-экономической целесообразности реализации предложенного метода был проведен расчет предотвращенного экологического ущерба окружающей среде по методике ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Расчет проведен при условии оснащения ДВС автомобилей семейства ВАЗ, входящих в состав существующего автомобильного парка г. Москвы, опытными системами каталитической нейтрализации ОГ.

В составе этого парка имеются автомобили, выпущенные ВАЗ до введения в России нормативных требований существующего Стандарта. Экологические качества этих автомобилей трудно спрогнозировать. Поэтому условно расчеты проведены в предположение, что все эксплуатируемые в городе на сегодняшний день автомобили ВАЗ, соответствуют требованиям существующего Стандарта ЕВРО-3.

Подобное переоснащение всего городского парка автомобилей семейства ВАЗ позволит снизить суммарный экологический ущерб окружающей среде с 500 до 224,5 млн. руб. в год, то есть более, чем в 2,2 раза.

В заключение следует отметить, что с учетом современного технико-экономического состояния отечественного автотранспортного комплекса и уровня технологической базы заводов - изготовителей реализация данного метода обуславливает ряд преимуществ. Во-первых, для реализации метода могут быть использованы серийно выпускаемые отечественной промышленностью СНОГ, что исключает необходимость капиталовложений в переналадку существующей технологической структуры производителей этих систем. Во-вторых, отпадает необходимость конструктивной адаптации модифицированной системы очистки ОГ ДВС на серийных АТС, вследствие того, что она по своим компоновочным параметрам мало отличается от своего аналога. В-третьих, в силу высокой эффективности модифицированной системы при ее применении создаются предпосылки для оптимального решения вопросов, связанных с экономией драгметаллов при производстве каталитических блоков нейтрализаторов.

Эти преимущества предлагаемого метода при его реализации позволят при минимальных финансовых затратах эффективно и оперативно решать перспективные проблемы экологической безопасности автомобильного транспорта, связанные с предстоящим переходом на новое законодательство.

Предложенный в данном исследовании метод содержит в себе потенциальные возможности для дальнейшего развития и экологического совершенствования транспортных ДВС. Например, на его основе может быть реализован перспективный способ организации работы энергетической установки АТС, при котором ДВС в условиях эксплуатации переводится на постоянное питание смесевым водородосодержащим топливом (бензин + ПКМ). В другом варианте получаемые в реакторе водородосодержащие газы могут быть использованы в качестве основного топлива для самостоятельного питания ДВС (работа по циклу газового двигателя). При этом, как было установлено ранее, обеспечивается повышение топливной экономичности автомобиля в условиях стандартного ездового цикла в среднем на 15% по сравнению с бензиновым аналогом. Очевидно, что в обоих случаях присутствие в горючей смеси водорода будет способст-

вовать существенному снижению токсических веществ в продуктах сгорания ДВС, снижая функциональную нагрузку нейтрализатора. Одновременно с этим, водородный реагент на отдельных «проблемных» ездовых режимах может поступать в каталитический блок нейтрализатора, обеспечивая повышение его эффективности. Совокупное снижение выбросов вредных веществ на всех ездовых режимах работы автомобиля с двигателем, работающим с частичной или полной заменой бензина на водородосодер-жащие продукты, при повышенной эффективности СНОГ, позволит повысить экологическую безопасность российского автотранспортного комплекса до уровня перспективных европейских требований (ЕВРО-5).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненные в работе исследования, анализ и обобщение их результатов позволили разработать и предложить к практическому внедрению комплексный метод повышения экологических качеств автомобильных энергоустановок на основе совершенствования стартовых характеристик системы нейтрализации и показателей рабочего процесса ДВС. Основным итогом выполненной работы является решение важной социально-экологической задачи отечественного двигателестроения - разработка научных и технических основ по созданию двигателей для АТС, в том числе для автомобилей семейства ВАЗ, с экологическими качествами, удовлетворяющими перспективным требованиям Правил 83-05 ЕЭК ООН (ЕВРО-4).

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научные и прикладные результаты:

1. Разработан комплексный метод ускоренного стартового прогрева системы нейтрализации и совершенствования показателей рабочего процесса ДВС в период его холодного пуска и прогрева с использованием высокоэффективного водородного реагента.

2. Предложена расчетная методика для прогнозирования характера влияния на темпе-ратурно-энергетическое состояние рабочего тела (ОГ) в выпускном тракте ДВС и эффективность системы нейтрализации режимных и регулировочных параметров двигателя, работающего на водородосодержащем топливе, в период его холодного пуска и прогрева. Расчетным анализом выявлены рациональные коррекции параметров ДВС для повышения эффективности систем синтеза водородного продукта и нейтрализации ОГ.

3. Разработана система средств и технических решений, включающая, в том числе, бортовой реактор для получения водородосодержащего продукта из метанола, для реализации предложенного метода, адаптированная к условиям эксплуатации двигателей автомобилей семейства ВАЗ. Примененный способ бортового аккумулиро-

вания водорода в химически связанном состоянии в жидкой среде (СН3ОН) обеспечивает высокую эксплуатационную безопасность АТС.

4. В рамках реализации предложенного метода исследована возможность оптимизации содержания драгметаллов, используемых в качестве катализаторов, с целью снижения стоимости нейтрализатора ОГ. Выявлено, что применение метода обуславливает возможность уменьшения на 25% содержание драгметаллов платиновой группы в нейтрализаторах ОГ при сохранении их исходной эффективности.

5. На основе разработанной методики проведена серия экспериментальных исследований ДВС на моторном стенде для проверки эффективности и работоспособности предложенной системы средств и технических решений, реализующих предложенный метод. Установлено, что использование в качестве химического реагента небольших доз синтезированных водородосодержащих продуктов (по энергетическому эквиваленту не более 2% от всего потребляемого топлива) обеспечивает устойчивую работу двигателя на обедненной смеси в период его прогрева; снижение массовых выбросов с ОГ СН и СО до 75 и 55% соответственно; сокращение времени прогрева нейтрализатора в 5,6 раза. Общее стартовое потребление метанола в течение 1000 км эксплуатационного пробега автомобиля (200 пусков ДВС) составит примерно 5 кг.

6. По результатам исследования автомобиля ВАЗ на стенде с беговыми барабанами по процедуре Европейского испытательного цикла (ТМЕОС) осуществлена оценка эксплуатационной эффективности предложенного метода. Его реализация обуславливает уменьшение выбросов автомобилем за период «холодной» фазы испытательного цикла: СН на 45%, СО на 40%, ЫОх до 28% по сравнению с его серийным аналогом. За весь испытательный цикл выбросы этих компонентов снижаются соответственно на 36,34 и 12% и соответствуют требованиям, предъявляемым к АТС экологического класса 4 (ЕВРО-4).

7. На основании проведенного расчета эколого-экономической целесообразности применения предложенного комплексного метода (на примере парка автомобилей ВАЗ г. Москвы) по уровню предотвращенного ущерба окружающей среде города установлено, что вследствие реализации метода суммарный ущерб от выбросов может быть снижен более чем в 2,2 раза по сравнению с экологическим классом АТС ЕВРО-3.

8. Анализ и обобщение результатов проведенного исследования позволили наметить направления по перспективному экологическому совершенствованию двигателей АТС на основе дальнейшего развития предложенного метода, что даст возможность по предварительной оценке повысить экологическую безопасность российского автотранспортного комплекса до уровня перспективных европейских требований (ЕВРО-5).

Основные положения диссертации опубликованы в работах: Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Бендик М.М. Экологические аспекты холодного пуска двигателя / Герасименко С.А., Сидоров М.И., Фомин В.М.// Известия Тульского гос. ун-та.- Серия «Технические науки». - Изд-во ТулГУ, 2006. - Вып.Ю. - С.295-298.

2. Герасименко С.А. Метод совершенствования эколого-экономических показателей двигателей / Сидоров М.И.. Фомин В.М.// Известия Тульского гос. ун-та.- Серия «Технические науки». - Изд-во ТулГУ, 2006. - Вып.Ю. - С.287-295.

Статьи в других изданиях:

3. Герасименко С.А. Водородная энергетика автомобильного транспорта: зарождение

и современное состояние / Сидоров М.И., Фомин В.М.// Горный информационно-аналитический бюллетень. - Изд-во Московского государственного горного ун-та, 2006.-№12.-С.155-160.

4. Герасименко С.А. Проблемы Евро-3 / Фомин В.М.// Сельский механизатор. - 2008. -№1. - С.32-39.

5. Бендик М.М. Стратегия стартового прогрева автомобильной системы нейтрализации / Герасименко С.А., Каменев В.Ф., Хрипач H.A., Фомин В.М.// Материалы международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования двигателей». - Владимир: ВлГУ, 2008. - C.23S-240.

6. Герасименко С. А. Метод совершенствованием стартовых характеристик автомобильных системы нейтрализации / Фомин В.М.// Бюллетень транспортной информации. - №9. - 2008. - С.36-39.

ГЕРАСИМЕНКО Сергей Анатольевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

«МЕТОД СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СТАРТОВЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ»

Подписано в печать: /2 2009 заказ: Ь -24$объем: тираж 100

Бумага типографская формат 60x90/16

МГТУ «МАМИ», Москва, 107023, Б.Семеновская ул.. 38

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С БЕНЗИНОВЫМИ ДВС:

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ.

1.1. Экологическое воздействие автотранспортного комплекса на состояние окружающей среды.

1.2. Характер изменения экологических качеств автомобиля в период холодного пуска и прогрева двигателя.

1.3. Применение систем каталитической нейтрализации отработавших газов как одно из необходимых условий обеспечения требуемого экологического качества автомобильного двигателя.

1.4. Методы улучшения экологических качеств двигателя в период его холодного пуска и прогрева.

1.5. Термохимическое стартовое разогревание автомобильных систем нейтрализации ог.

Проблема экологической безопасности неуклонно растущего автотранспортного комплекса России требует от промышленности внедрения новых перспективных технологий, обеспечивающих автомобилю выполнение все более ужесточающихся нормативных требований по выбросу вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Доля автотранспорта в общих выбросах вредных веществ составляет около 35 %, в городах этот показатель значительно выше и в отдельные периоды может достигать 60. .80 %.

Рост автомобильного парка требует периодического обновления стандартов и ужесточения нормативных требований по выбросу вредных веществ автотранспортными средствами. За рубежом с 2005 г. действуют нормы ЕВРО-4. В России с 2008 года на новые автомобили введены требования, соответствующие нормам европейского стандарта ЕВРО-3, которые обусловили необходимость оснащения АТС эффективными системами каталитической нейтрализации ОГ. В соответствие с новым техническим регламентом «Об экологической безопасности транспортных средств» (Директива 2003/76 ЕС) в 2010 г. в России планируется переход на нормы ЕВРО-4 с последующим плановым переходом на европейские стандарты и правила по процедурам испытаний.

Изменение процедуры выполнения ездового цикла в правилах ЕВРО-3 и ЕВРО-4 обуславливает необходимость непосредственного отбора проб после пуска непрогретого («холодного») двигателя, когда температура деталей камеры сгорания ДВС, выпускного трубопровода и нейтрализатора в течение некоторого времени остается на относительно низком уровне. При этом, как показывает опыт, 60- 80% GO, СН от суммарного количества за ездовой испытательный цикл выбрасывается в начальной фазе испытаний.

Основными причинами снижения экологических качеств автомобиля в этих условиях являются неэффективная работа системы нейтрализации и повышенная концентрация СО, СН на выходе из двигателя, обусловленная характером протекающих процессов смесеобразования и сгорания в условиях непрогретого ДВС.

Для уменьшения выбросов СО, СН в начальной стадии ездового цикла необходимо ускорить процесс выхода нейтрализатора на режим эффективной работы. Этого можно достичь двумя способами: либо увеличив температуру ОГ на входе в нейтрализатор, либо снизить нагреваемые массы подводящего тракта и каталитического блока и сократив путь ОГ от двигателя до нейтрализатора.

Один из путей, позволяющих ускорить разогрев нейтрализатора, - это установка перед ним специальной камеры сгорания с тепловой мощностью не менее 13 кВт с системой подачи в нее вторичного воздуха и топлива или электрического подогревателя мощностью не менее 2,0 кВт. Однако такой путь и ему подобные технические решения создают серьезные дополнительные проблемы при их реализации на борту автотранспортного средства, не говоря уже о том, что все они - энергетически убыточны.

Перспективным представляется метод непосредственного конструктивного совмещения каталитического нейтрализатора и выпускного коллектора двигателя (осуществить процесс нейтрализации непосредственно в полости выпускного коллектора) в сочетании с уменьшением нагреваемых масс подводящего тракта и каталитического блока, что сократит время прогрева катализатора до температурного уровня, соответствующего его эффективной работы.

Подобные высокоэффективные системы нейтрализации еще не- нашли своего широкого применения на отечественных автомобилях. Отдельные образцы таких систем, созданные по образцу европейских систем, технологически не совершенны и по многим показателям не удовлетворяют эксплуатационным требованиям. Учитывая существующее техническое состояние российского автомобилестроения и отсутствие отечественного исследовательского опыта массового изготовления подобных систем, их перспективная разработка обуславливает необходимость проведения предварительных исследований, связанных с изучением комплекса вопросов теоретического и экспериментального характера.

С учетом поэтапного введения более жестких нормативных требований мировые производители постоянно совершенствуют экологические качества автомобилей, обращая основное внимание на экономическую целесообразность и эффективность использования антитоксичных средств и методов, в первую очередь, на вопросы энергосбережения при их реализации.

Мировой исследовательский опыт показывает, что одним из наиболее эффективных и энергетически выгодных (а, следовательно, прогрессивных) способов улучшения экологических качеств транспортного средства является совершенствование стартовых (на начальном этапе ездового цикла) характеристик его системы нейтрализации с использованием химических реагентов.

Отдельным и еще мало исследованным методом по ускоренному выводу каталитического блока на режим активного функционирования является применение высокоэффективного водородного реагента.

Актуальной является проблема улучшения стартовых экологических показателей двигателя, определяющих доминирующий уровень выбросов токсичных продуктов неполного сгорания (СО и СН) в начальной фазе ездового цикла автомобиля и в целом за цикл. Многие аспекты этой проблемы остаются до настоящего времени недостаточно изученными. Более того, рациональных методов для приемлемого решения проблемы улучшения экологических показателей непрогретого ДВС до настоящего времени практически не предложено.

К сказанному можно добавить, что актуальной проблемой мирового автомобилестроения является также и совершенствование конструкции автомобильных систем нейтрализации в направление снижения- себестоимости производства за счет оптимизации состава и соотношения драгметаллов, используемых в качестве катализаторов.

Поиск наиболее экономически целесообразного и эффективного решения социально важной проблемы, связанной с улучшением экологических характеристик автомобильных ДВС и СНОГ, обусловил целесообразность проведения данного исследования.

Целью диссертационной работы является: разработка комплексного метода повышения экологических качеств автомобильной энергетической установки с бензиновым двигателем путем совершенствования показателей его рабочего процесса в период пуска и прогрева и стартовых характеристик системы нейтрализации отработавших газов.

Исходя из поставленной цели, определены следующие положения, выносимые на защиту:

1. Методически обоснованная концепция комплексного метода улучшения стартовых экологических показателей автомобильного двигателя и ускоренного прогрева его системы нейтрализации на основе использования водородного реагента.

2. Методика расчета влияния на температурно-энергетическое состояние рабочего тела в выпускном тракте и эффективность системы нейтрализации режимных и регулировочных параметров двигателя, работающего на водоро-досодержащем топливе, в период его холодного пуска и прогрева.

3. Методическое обоснование рационального выбора системы средств и технических решений для реализации предложенного комплексного метода, адаптированной к условиям работы двигателей автомобилей семейства ВАЗ.

4. Рекомендации по оптимизации состава драгметаллов, используемых в качестве катализаторов, с целью снижения стоимости нейтрализатора в рамках реализации предложенного метода.

5. Методики экспериментальных исследований двигателя на моторном стенде и автомобиля на беговых барабанах для проверки эффективности предложенной системы средств и технических решений, реализующих концепцию предложенного метода.

6. Рекомендации по перспективному совершенствованию эколого-экономических качеств автомобильных двигателей на основе дальнейшего развития концепции предложенного метода.

Выполненные в рамках представленной работы исследования проводились с участием автора в соответствии с планами НИР и ОКР Государственного научного центра Российской Федерации ФГУП «НАМИ» и ОАО «Ав-тоВАЗагрегат». Экспериментальные исследования проведены на моторной установке и стенде с беговыми барабанами по методикам европейского ездового цикла в лабораториях ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». Автор выражает благодарность всем сотрудникам лабораторий этой организации, особенно профессору В.Ф.Каменеву и доценту Н.А.Хрипачу за доброжелательную поддержку и всестороннюю помощь, оказанную при проведении испытаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненные в работе исследования, анализ и обобщение их результатов позволили разработать и предложить к практическому внедрению комплексный метод повышения экологических качеств автомобильных энергоустановок на основе совершенствования стартовых характеристик системы нейтрализации и показателей рабочего процесса ДВС. Основным итогом выполненной работы является решение важной социально-экологической задачи отечественного двигателестроения — разработка научных и технических основ по созданию двигателей для АТС, в том числе для автомобилей семейства ВАЗ, с экологическими качествами, удовлетворяющими перспективным требованиям Правил 83-05 ЕЭК ООН (ЕВРО-4).

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научные и прикладные результаты:

1. Разработан комплексный метод ускоренного стартового прогрева системы нейтрализации и совершенствования показателей рабочего процесса ДВС в период его холодного пуска и прогрева с использованием высокоэффективного водородного реагента.

2. Предложена расчетная методика для прогнозирования характера влияния на температурно-энергетическое состояние рабочего тела (ОГ) в выпускном тракте ДВС и эффективность системы нейтрализации режимных и регулировочных параметров двигателя, работающего на водородосодер-жащем топливе, в период его холодного пуска и прогрева. Расчетным анализом выявлены рациональные коррекции параметров ДВС для повышения эффективности систем синтеза водородного продукта и нейтрализации ОГ.

3. Разработана система средств и технических решений, включающая, в том числе, бортовой реактор для получения водородосодержащего продукта из метанола, для реализации предложенного метода, адаптированная к условиям эксплуатации двигателей автомобилей семейства ВАЗ. Примененный способ бортового аккумулирования водорода в химически связанном состоянии в жидкой среде (СН3ОН) обеспечивает высокую эксплуатационную безопасность АТС.

В рамках реализации предложенного метода исследована возможность оптимизации содержания драгметаллов, используемых в качестве катализаторов, с целью снижения стоимости нейтрализатора ОГ. Выявлено, что применение метода обуславливает возможность уменьшения на 25% содержание драгметаллов платиновой группы в нейтрализаторах ОГ при сохранении их исходной эффективности.

На основе разработанной методики проведена серия экспериментальных исследований ДВС на моторном стенде для проверки эффективности и работоспособности предложенной системы средств и технических решений, реализующих предложенный метод. Установлено, что использование в качестве химического реагента небольших доз синтезированных водородосодержащих продуктов (по энергетическому эквиваленту не более 2% от всего потребляемого топлива) обеспечивает устойчивую работу двигателя на обедненной смеси в период его прогрева; снижение массовых выбросов с ОГ СН и СО до 75 и 55% соответственно; сокращение времени прогрева нейтрализатора в 5,6 раза. Общее стартовое потребление метанола в течение 1000 км эксплуатационного пробега автомобиля (200 пусков ДВС) составит примерно 5 кг.

По результатам исследования автомобиля ВАЗ на стенде с беговыми барабанами по процедуре Европейского испытательного цикла (NEDC) осуществлена оценка эксплуатационной эффективности предложенного метода. Его реализация обуславливает уменьшение выбросов автомобилем за период «холодной» фазы испытательного цикла: СН на 45%, СО на 40%, NOx до 28% по сравнению с его серийным аналогом. За весь испытательный цикл выбросы этих компонентов* снижаются соответственно на 36, 34 и 12% и соответствуют требованиям, предъявляемым к АТС экологического класса 4 (ЕВРО-4).

7. На основании проведенного расчета эколого-экономической целесообразности применения предложенного комплексного метода (на примере парка автомобилей ВАЗ г. Москвы) по уровню предотвращенного ущерба окружающей среде города установлено, что вследствие реализации метода суммарный ущерб от выбросов может быть снижен более чем в 2,2 раза по сравнению с экологическим классом АТС ЕВРО-3.

8. Анализ и обобщение результатов проведенного исследования позволили наметить направления по перспективному экологическому совершенствованию двигателей АТС на основе дальнейшего развития предложенного метода, что даст возможность по предварительной оценке повысить экологическую безопасность российского автотранспортного комплекса до уровня перспективных европейских требований (ЕВРО-5).

4.9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ 4

По результатам экспериментальной проверки предложенного метода стартового химического («водородного») прогрева СНОГ установлено, что работа двигателя на водородосодержащем смесевом топливе после его холодного пуска характеризуется более стабильной работой на режиме холостого хода, чем при работе на бензине. Наблюдается практически полное отсутствие пропусков воспламенения и значительное улучшение экологических показателей ДВС по концентрации в ОГ токсических продуктов неполного сгорания (СН, СО). Очевидно, что при низких (отрицательных) температурах окружающей среды это преимущество усилиться.

Предлагаемый «водородный» метод улучшения стартовых экологических характеристик ДВС и повышения эффективности процессов преобразования вредных веществ в каталитическом блоке является, на наш взгляд, наиболее энергетически выгодной и перспективной по целому ряду ее свойств.

Посредством быстрого прогрева нейтрализатора с использованием водородного реагента и улучшения экологических качеств ДВС в период его ХПП обеспечивается совокупное уменьшение всех нормируемых выбросов вредных веществ. Исследования автомобиля на стенде с беговыми барабанами показали, что практическая реализация данной стратегии на АТС способствует уменьшению выбросов за период «холодной» фазы испытательного цикла: СН на 45%, СО на 40%, NOx до 28% по сравнению с базовым аналогом (серийной СНОГ). За весь испытательный цикл (NEDC - New European Driving Cycle) выбросы этих компонентов ОГ снижаются на 34, 36 и 12% соответственно.

Следует отметить, что проблема повышенных выбросов NOx связана в основном с преодолением автомобилем заключительной стадии испытаний — скоростного ездового цикла (EUDC - Extra Urban Driving Cycle). Поэтому при использовании предложенного метода регистрируемое снижение выбросов NOx за весь испытательный цикл (NEDC) оказалось не столь значительное

12%). Тем не менее, результаты испытаний показали, что серийная система очистки с нейтрализатором «АвтоВАЗагрегат», обеспечивает достаточно высокую эффективность по очистке (восстановлению) NOx, а при использовании водородного реагента обеспечивает уровень требований Стандарта ЕВРО-4.

Отметим, что снижение восстановительной эффективности вследствие старения катализатора существенно меньше в сравнение с окислительной его способностью (по данным НАМИ). Причиной отмеченных выше явлений является не только старение катализатора, но и тенденция уменьшения ширины окна бифункциональности и смещения его в сторону богатых смесей, что ухудшает процессы окисления СО и СН и способствует некоторой компенсации потери эффективности в протекании процессов восстановления NOx. С учетом этого можно заключить, что предложенный метод позволяет автомобилю гарантированно реализовать требования перспективных для России Правил 83-05 ЕЭК ООН (ЕВРО-4).

Указанная экологическая эффективность опытной СНОГ достигается с использованием небольшой химической энергии водорода по отношению к химической энергии всего израсходованного за «холодную» стадию ездового цикла базового топлива (менее 2%). При этом процент сокращения совокупных токсических выбросов оказывается существенно больше, чем процент полной химической энергии используемого водородного компонента. Достаточно компактный реактор конверсии метанола может обеспечить необходимое количество водородосодержащего газа для эффективной реализации предлагаемого метода.

Энергетическая выгода в данном случае очевидна. Использование незначительного количества,водородного реагента.оправдывает экономические затраты, связанные с производством и установкой реактора для его получения. Стоимость синтезируемого в ботовой системе водорода на два порядка ниже стоимости этого газа, произведенного промышленным способом, и практически окупается экономией базового топлива.

Примененный способ бортового аккумулирования водорода в химически связанном состоянии в жидкой среде обеспечивает высокую эксплуатационную безопасность АТС по сравнению, например, со способом баллонного хранения водорода.

Метод высокоэффективного химического разогревания СНОГ с использованием водородного реагента является приоритетной, потому что только водород будет реагировать с холодной поверхностью каталитического конвертера [51]. В то же время, любой другой известный активирующий компонент, введенный в нейтрализатор, пройдёт через холодный катализатор и, не прореагировав, станет дополнительным компонентом в составе вредных выбросов.

С учетом современного технико-экономического состояния отечественного автотранспортного комплекса и уровня технологической базы заводов -изготовителей данный метод обуславливает дополнительный ряд преимуществ. Во-первых, при его реализации могут быть использованы серийно выпускаемые отечественной промышленностью СНОГ, что исключает необходимость капиталовложений в переналадку существующей технологической структуры производителей этих систем. Во-вторых, отпадает необходимость конструктивной адаптации модифицированной системы очистки ОГ на серийных АТС, вследствие того, что она по своим компоновочным параметрам мало отличается от своего аналога. В-третьих, в силу высокой эффективности модифицированной системы при ее применении создаются предпосылки для оптимального решения вопросов, связанных с экономией драгметаллов при производстве каталитических блоков нейтрализаторов. Установлено, что при снижении загрузки драгметаллов каталитического блока на 25% его эффективность может быть сохранена на исходном уровне в случае применения водородного реагента.

Важным достоинством предлагаемого метода, способствующим снижению технических и экономических затрат при его реализации на транспорте, является то, что она может проводиться на базе уже накопленного отечественного опыта по созданию высокоэффективных бортовых систем конверсии метанола.

Реализация перечисленных положительных качеств предлагаемого комплексного метода в практике автомобилестроения позволит при минимальных финансовых затратах эффективно и быстро решать перспективные проблемы экологической безопасности автомобильного транспорта, связанные с переходом на новые законодательства.

Расчеты экономической целесообразности внедрения на существующих АТС предлагаемого метода (применительно только к парку автомобилей ВАЗ г. Москвы) показывают, что суммарный ущерб от выбросов обновленного городского парка будет составлять примерно 224,5 млн. руб. в год, то есть будет снижен более, чем в 2,2 раза по сравнению с экологическим классом АТС ЕВРО-3 (без учета устаревших моделей).

Важным стимулом дальнейшего развития «водородной» стратегии повышения стартовой эффективности СНОГ транспортных средств является и то, что методологически схожие версии получают свое развитие и за рубежом. Так, например, в мировой исследовательской практике известен ряд работ (.Justin Fulton и др.), посвященных проблеме использования баллонного водорода для холодного пуска двигателя и ускоренного прогревания катализатора [51]. Очевидно, что подобный вариант подхода к решению обсуждаемой проблемы с бортовым аккумулированием водорода менее рентабелен и сопряжен с проявлением сложных проблем эксплуатационной безопасности.

Проводятся исследования за рубежом в том же идеологическом направлении, но с использованием водородосодержащего реагента, полученного методом высокотемпературного преобразования моторного топлива [52,53]. Заметим, что исследования подобного метода получения- водородного газа проводились и в нашей стране [54,55], результаты которых выявили ряд серьезных трудностей при его реализации. На наш взгляд, данный метод получения водородного реагента технологически сложен в реализации и энергетически убыточен, кроме того, как отмечают сами авторы работ [52,53], он связан с проблемой повышенного выброса токсичных побочных продуктов термического преобразования топлива в период запуска и выхода конвертера на рабочий режим.

Несмотря на отмеченные недостатки, достигнутая совокупная экологическая эффективность (в рамках всего ездового цикла) от реализации указанных зарубежных вариантов «водородной» стратегии высока [51,52,53]. Этот факт еще раз подтверждает наши предположения о перспективности обсуждаемого метода ускоренного стартового прогрева автомобильных СНОГ с помощью водородного реагента, вне зависимости от того, с помощью каких средств и технических решений он получен.

Предложенная в данном исследование концепция «водородного» метода содержит в себе потенциальные возможности для дальнейшего своего развития и экологического совершенствования АТС. Например, на его основе может быть реализован перспективный способ организации работы энергетической установки АТС, при котором ДВС в условиях эксплуатации переводится на постоянное питание смесевым водородосодержащим топливом (бензин + ПКМ). В другом варианте получаемые в реакторе водородосодержащие продукты могут быть использованы в качестве основного топлива для самостоятельного питания ДВС (работа по циклу газового двигателя). При этом, как было установлено ранее [48,49,50], обеспечивается повышение топливной экономичности автомобиля в условиях стандартного ездового цикла в среднем на 15% по сравнению с бензиновым аналогом. Очевидно, что в обоих случаях присутствие в горючей смеси водорода будет способствовать существенному снижению токсических веществ в продуктах сгорания ДВС, снижая функциональную нагрузку нейтрализатора. Одновременно с этим, водородный реагент может поступать в каталитический блок нейтрализатора, обеспечивая повышение эффективности каталитического преобразования вредных веществ, содержащихся в ОГ, в нетоксичные компоненты.

Совокупное снижение выбросов вредных веществ на всех ездовых режимах работы автомобиля с двигателем, работающим с частичной или полной заменой бензина на водородосодержащие продукты, при повышенной эффективности СНОГ, позволит повысить экологическую безопасность российского автотранспортного комплекса до уровня перспективных европейских требований (ЕВРО-5).

1. Ежегодник состояния загрязнения и выбросов вредных веществ в атмосферу городов и промышленных центров Российской Федерации (России). «Выбросы вредных веществ»/ Под. ред. Берлянда М.Е. Санкт-Петербург, 2001.-412 с.

2. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Автомобильный и городской транспорт. 1993. - С. 1-13.

3. Аксенов И.Я., Луканин В.Н, Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология /Под ред. В.Н.Луканина. М.: Высш. шк., 2001. -273 с.

4. Дербарембдикер А.Д., Трофименко Ю.В. Правовое обеспечение экологической чистоты автотранспортных средств // Автомобильная промышленность. 1992. - № 2. - с. 6 - 8.

5. Погребняк Е.В., Белоусов А.Р., Кузнецов Б.В., Пахомов Д.Л. Автомобильная промышленность России: состояние и перспективы. М.: Альпина Паблишер, 2002. - 252 с.

6. Кутенев В.Ф., Звонов В.А., Козлов А.В. Экологическая безопасность автомобиля в полном жизненном цикле. -М.: НАМИ, 2001. -248 с.

7. Кутенев В.Ф., Звонов В.А., Корнилов Г.С., Козлов А.В., Панков Д.П. Анализ соотношения между ущербом от выброса вредных веществ и экоана-логом на транспорте // Проблемы конструкции двигателей и экология: Сб. науч. тр./НАМИ.-1998.-с. 171-178.

8. ГОСТ Р 51832-2001 Двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, работающие на бензине, и автотранспортные средства полной массой более 3,5 т, оснащенные этими двигателями. Выбросы вредных веществ. М.: Госстандарт России., -2002.

9. Правила ЕЭК ООН № 83.03. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении выделяемых ими загрязняющих веществ. М.: Госстандарт России, -2002.

10. Автомобильный справочник. Пер. с англ. М.: Изд. «За рулём», 1999. -896 с.

11. Перспективные автомобильные топлива виды, характеристики, перспективы: Пер. с англ./Под ред. Я.Б.Черткова. - М.: Транспорт, 1982. - 319 с.

12. Н.Кутенев В.Ф., Игнатович И.В., Тотгунов В.Н. Теория и практика оценки токсичности двигателей суммарным показателем// Автомобильная промышленность. -1991.-№3.-С. 8-9.

13. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы / Б. Болин, Б.Р. Дис, Дж. Ягер, Р. Уоррик // Пер. с англ. JL: Гидрометеоиздат, 1999. - 557 с.

14. Кутенев В.Ф., Звонов В.А., Козлов А.В. Оценка экологичности конструкции автомобиля по методике полного жизненного цикла// Проблемы конструкции двигателей: Сб. науч. тр./НАМИ.-1998.-с.З-11.

15. Bielaczyc О., Merkisz J.: Cold Start Emission for Normal and Low Ambient Temperatures Conditions. 30th International Symposium on Automotive Technology and Automation, Florence, Italy, June 97.

16. Bielaczyc О., Merkisz J.: Exhaust Emission from Passenger Cars during Engine Cold Start and Warm Up// SAE Technical Paper Series 970740.-1997.-C.34-45.

17. Каменев В.Ф. Метод оценки эффективности рабочего процесса на режимах малых нагрузок и глубокого дросселирования. // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвуз. сб. научн. тр. МАМИ. — М., 1995. с. 189 -195.

18. Большаков А. М. Автомобильные каталитические конвертеры// Химическая технология-2000—№ 1-с. 2- 12.

19. Попова Н.М. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта. Алма-Ата: Наука,1987.-227 с.

20. Chan S. Н. and Zhu J. The Significance of High Value of Ignition Retard Control on the Catalyst Light off// SAE Technical Paper Series 962077.-1996.-P.p.34-41.

21. Eade D., Hurley R. G., Rutter B. Fast Light off Underbody Catalyst Using Exhaust Gas Ignition (EGI) // SAE Technical Paper Series 952417.-1995.-P.p.21-32.

22. Cecile Favre. Emission Systems Optimization to Meet Future European Legislation// SAE Technical Paper Series 2004-01-0138.-Pp. 1-7.

23. LangemP., Theissen М., Mallog J. and Zielinski R. Heated Catalytic Converter Completing Technologies to Meet LEV Emission Standards // SAE Technical Paper Series 940470.-1994.-P.p.34-41.

24. Gulati S. T. Ceramic Converter Technology for Automotive Emissions Control // SAE Technical Paper Series 911736.-1991.-P.p.21-32.

25. Eade D., Hurley R.G., Rutter В., Inman G. and Bakshi R. Fast Light-Off of Un-derbody Catalysts Using Exhaust Gas Ignition (EGI) // SAE Technical Paper Series 952417.-1995.-P.p.8-15.

26. Hanel F.J., Otto E., Briick R., Nagel T. and Bergau N. Practical Experience with EHC System in the BMW ALPINA В12 // SAE Technical Paper Series 970263.-1997.-P.p.25-34.

27. Bielaczyc O., Merkisz J. Exhaust Emission from Passenger Cars during Engine Cold Start and Warm Up//SAE Technical Paper Series No.970740.-1997. -P.p.23-34.

28. Jeong L., Jang J., Yeo G., Kim Y. Optimization of the Electrically Heated Catalyst for Emission Purification Efficiency// SAE Technical Paper Series No.960350,1996. -P.p.33-44.

29. Burch S.D., Potter T.F., Keyser M.A. Reducing Cold-Start Emissions by Catalytic Converter Thermal Management// SAE Technical Paper Series No.950409,1995. -P.p.13-21.

30. Yaegashi Т., Yoshizaki K., Nagami T. New Technology for Reducing the Power Consumption of Electrically Heated Catalyst//SAE Technical Paper Series 940464, 1994. -P.p. 13-25.

31. Faltermeier G., Pfaslzgraf В., Briick R., Donnerstag A. Design and Optimization of a Close-Coupled Catalyst Concept for Audi 4-Cylinder Engines // SAE Technical Paper Series 980417.-1998.-P.p. 18-23.

32. Otto E., Albrecht F., Liebl J. The Development of BMW Catalyst Concepts for LEV/ULEV and EU III/IV Legislations 6 Cylinder Engine with Close Coupled Main Catalyst // SAE Technical Paper Series 980418.-1998.-P.p.32-41.

33. Waltner A., Loose G., Hirshmann A., Mussmann L., Lindner D., Miiller W. Development of Close- Coupled Catalyst Systems for European Driving Conditions // SAE Technical Paper Series 980663.-1998.-P.p.23-31.

34. Schmidt J. et al. Utilization of Advanced Pt/Rh TWC Technologies for Advanced Gasoline Applications with Different Cold Start Strategies// SAE Technical Paper Series 01 0927.-200l.-P.p.l4-21.

35. Kishi N. et al. Development of the Ultra Low Heat Capacity and Highly Insulating (ULOC) Exhaust Manifold for ULEV // SAE Technical Paper Series 980937.-1998.-P.p.23-29.

36. Pfalzgraf В., Rieger M., Ottowitz G. Close- Coupled Catalytic Conerters for Compliance with LEV/ULEV and EC III Legislation Influence of Support Material, Cell Density and Mass on Emission Results // SAE Technical Paper Series 960261.-1996.-P.p. 19-28.

37. Oliver J. Murphy, Rajesh T. Kukreja, Craig C. Andrews Electrically Initiated Chemically Heated Catalytic Converter to Reduce Cold-Start Emissions from Automobiles//SAE Technical Paper Series No.991233.- 1999.-P.p. 1-11.

38. Мищенко А. И., Белогуб А. В., Савицкий В. Д. Применение водорода для двигателей автомобильного транспорта// Атомно-водородная энергетика и технология: Сб.статей. Вып.8.-М.:Энергоатомиздат, 1988. С. 115-135.

39. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С.Орлина и М.Г.Круглова.-М.: Машиностроение, 1983.- 372 с.

40. Каменев В.Ф., Фомин В.М., Хрипач Н.А. Теоретические и экспериментальные исследования работы двигателя на водородно-топливных композициях // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE).- №7.- 2005.- C.32-42.

41. Фомин B.M., Каменев В.Ф., Хрипач НА. Водородный двигатель реальность сегодняшнего дня//АГЗК + Альтернативные топлива.-2005.- №6.-С.50-54.

42. Малышенко С.П., Назарова О.В. Аккумулирование водорода//Атомно-водородная энергетика и технология. -Сб статей. Вып.8.-М.гЭнергоатомиздат, 1988.-С.155-205.

43. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. Автомобильный двигатель, работающий на смесевом топливе бензин-водород//АГЗК + Альтернативные топлива.-2006.- №1(25).-С.72-77.

44. John E. Kirwan, Ather A. Quader, M. James Grieve. Fast Start-Up On-Board Gasoline Reformer for Near Zero Emissions in Spark-Ignition Engines// SAE Technical Paper Series No. 2002-01-1011.-Pp. 12-25.

45. Фомин В.М., Хрипач Н.А. Двигатель, работающий на смеси дизельного и водородного топлив // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2006.-№5.- С.31-37.

46. Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З. Многозонные модели рабочего процесса ДВС.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997.- 67 с.

47. Кавтарадзе Р. 3. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. -592 с.

48. Петриченко P.M., Батурин С.А. и др. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ/ Под ред. Петриченко P.M.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние , 1990.- 328 с.

49. Арустамов Л. X., Шендеровский И. М., Яхутль. Д. Р. Разработка математической модели рабочего цикла бензинового ДВС// Автомобильные и тракторные двигатели. Межвузовский сборник научных трудов. Москва: МГТУ - МАМИ, 2001. - вып. 17. - С. 25 - 30.

50. Каменев В.Ф., Макаров А.Р., Фомин В.М. Расчеты рабочих циклов поршневого и комбинированного двигателей внутреннего сгорания//М.: Изд-во МГТУ «МАМИ», 2006.-30 с.

51. Woschni G. A. Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine .- SAE Paper 670931, 1967.

52. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. Москва-Свердловск: Машгиз, 1962. - 270 с.

53. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.-457 с.

54. Woodford С. Solving Linear and Non-linear Equations. Ellis Harwood, 1992.543 p.p.

55. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование. М.: Мир, 1977. - 584 с.

56. Churchill S. W., Chu, Н. Н. Correlating Equations for Laminar and Turbulent Free Convection from a Horizontal Cylinder. Int. J. Heat Mass Transfer, 1975, Vol. 18, pp 1049-1053.

57. Collier John G. Convective boiling and condensation. New York: McGraw-Hill Book Company, 1972. 346 p.p.

58. Poulos, G., Heywood B. The Effect of Chamber Geometry on Spark—Ignition Engine Combustion. //SAE, Techn. Pap. Ser. 1983, 830334, pp. 24.

59. Shivshinsky, G.I. Cascade—Renormalization Theory of Turbulent Flame Speed. //Combust.Sci.and Tech., 1988, Vol. 62, pp. 77—96.

60. Davis G., Borgnakke C. The Effect of In—Cylinder Flow Processes (Swirl, Squish and Turbulence Intensity) on Engine Efficiency—Model Predictions. // SAE paper 820045.-1982.-P.p.23-31.

61. Hauman D.J. et al. A Multi-step overall kinetic mechanism for the oxidation of hydrocarbons.//Combust. Sci. Technol. 1981.-25. P. 219-235.

62. Koltsakis G. C., Konstantinidis P. A. and Stamatelos A. Mi Development and Application Range of Mathematical Models for 3-Way Catalytic Converters. Applied Catalysis B: Environmental.- 1997.- №12.- pp.161-191.

63. V.Koutenev, V.Kamenev, U.Jamolov, I.Kobez, R.Vshivtsev. Methods and results of accelerated tests of catalytic converters on efficiency and reliability. Book of abstracts XXVI1 congress and CD ROM, FISITA-98, Paris, 1998.

64. Lee S., Aris R. On the Effects of Radioactive Heat Transfer in Monolith// Chemical Engineering Science.- Vol. 32.- 1977.-pp. 827-837.

65. Tamura N., Matsumoto S., Kawabata M., Kojima K., Machida, M. The Development of an Automotive Catalyst Using a Thin Wall (4 mil/400cpsi) Substrate// SAE.- 1996,- paper 960557.

66. Vaneman G.L. Performance comparison of automotive catalytic converters: metal vs ceramic substrates// XXII FISITA congress. 905115. - 1990.-P.p. 5668.

67. Яковлев B.M. Математическая обработка результатов исследования. М.: Физматиздат, 1988.-480 с.

68. Преображенский В.Н. Теплотехнические измерения и приборы .М.: Энергия,1978.-703 с.

69. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970.-215 с.

70. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдения. М.:Наука,1970.-104 с.

71. Nagel Т., Maus W. and Breuer J. Development of Increased Test Conditions for Close-Coupled Catalyst Applications // SAE Technical Paper Series 962079.-1996.-P.p.34-41.

72. Hu Z., Heck R.M. High Temperature Ultra, Stable Close-Coupled Catalysts // SAE Technical Paper Series 950254.-1995.- P.p. 28-37.

73. Zidat S ., Parmentier M. Exhaust Manifold Design to Minimize Catalyst Light-off Time // SAE Technical Paper Series 2003-01- 0940.-P.p.l2-21.

74. Will N. S., Cornet P. Effect of Flow Distribution on Emissions Performance of Catalytic Converters // SAE Technical Paper Series 980936.-1998.-P.p. 57-69.

75. Ball D., Kirby C. A Survey of Automotive Catalyst Technologies Using Rapid Agin g Test Schedules Which Incorporate Engine Oil-Derived Poisons // SAE Technical Paper Series 973050. -1997.-P.p. 52-66.

76. Blanchet S., Richmond R., Vaneman G. Implementation of the effec-tiveness-Ntu Methodology for Catalytic Converter Design // SAE Technical Paper Series 980673. -1998.-P.p. 77-89.

77. Moore W.R., Richmond R.P., Vaneman G.L., Dou D. Evaluation of High Cell Density Substrates for Advanced Catalytic Converter Emissions Control // SAE Technical Paper Series 1999-01-3630.-P.p. 87-99.

78. Макунин A.B., Сердюков С.И., Сафонов M.C. Процесс паровой конверсии метанола на оксидных никель циркониевых каталитических покрытиях // Нефтехимия.-1996.-№ 5.-С. 31-37.

79. Методика оценки эколого-экономической эффективности применения антитоксичных мероприятий / В.Ф.Кутенев, В.А. Звонов, Г.С. Корнилов и др. М.: НАМИ, 1999. - 15 с.

80. Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба / Л.В.Вершков, В.Л.Грошев, В.В.Гаврилов и др. М., 2001. - 68 с.