автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Пути уменьшения содержания бензапирена в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания

волгоградский ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШЖЕЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПУШ УМЕНЬШЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ БЕНЗАШРЕНА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

КУРАГИНА ТАТЬЯНА ИГОРЕВНА

Волгоград 1993

Работа выполнена б Никегородском государственном техническом университете

Научные руководители - доктор технических наук,профессор

Б.П.Платонов

- кандидат технических наук, профессор П.Э.Сыранн

Официальные оппоненты - доктор технических наук,профессор,

• заслуженный деятель наузся к техники РФ И.Б.Гурвич

- кандидат технических наук,доцент В.А.Треплзш

Везучее предпркжтие - Ю "Автоцвигатеяь" (Завоякскнй

моторный завод)

со

Защита состоится ¿/¿¿Ь^- 1993 г. в У ' час,

з ауд.209 на заседании специализированного совета К 063.76.02 в Волгоградском политехническом институте по адресу: 400066, г.Волгоград, проспект им.Лекина,23.

С цкссортацией ыогно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан * ^" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд.техя.наук, п доцент ВЛ.Окогин

22.04.93. форма? 60x8^/16. Бумага оберточная. Печать офсетная. Уч.-иэд.л.1,0. Тираг 100 экз. Заказ 131. Бесплатно.

Лаборатория офсетной печати Нижегородского государственного технического университета.603022, Н.Новгооод, пр. Гагарина, д. I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с интенсивны:/ развитием автомобильного транспорта возникла проблема загрязнения воздушной среды населенных пунктов отработавшими г аз шли (ОГ). В настоящее время в составе ОГ нормируются оксид углерода, окислы азота, суммарные углеводороды, сажевые'частицы, хотя доля вредности ненормируемых компонентов соизмерима с ними и монет быть даже значительнее. Существуют данные исследований о том, что если принять за 100% суммарную токсичность иГ, то•вклад только полициклических ароматических углеводородов (ПАу) может доходить до 25%. Среди ПАУ бенза-пирен (БД) является наиболее сильным и устойчивым к разложению канцерогеном. В мировой практике здравоохранения он принят за индикатор канцерогенной опасности органических соединений з окружающей среде.

Результаты аначизов состояния'атмосферы некоторых крупных городов показывают, что превышение концентрации БП над предачьно-допустимой величиной,, установленной СН 245-71, монет достигать 40Q раз. Санитарно-гигиенический надзор отмечает высокий уровень онкологических заболеваний в ряде городов, который во многом объясняется загрязнением атмосферного воздуха канцерогенными.веществами ОГ автомобильных двигателей.

Решение вопросов по защите окружающей среды от канцерогенной опасности отработавших газов сдергивается недостаточной изученностью и противоречивостью сведений в научно-технической литературе, касающихся механизмов образования БП и влияния различных факторов' на его содержание в выхлопе. Поэтому вопросы изучения возможных путей снижения концентрации бензапирена в ОГ становятся весьма актуальными.

Цель работы. Автомобильные двигатели внутреннего' сгорания являются одним из основных загрязнителей окружающей среды и'производственных помещений канцерогенными веществами, главная роль в которых отводится бензалирену. Поэтому цельо работы поставлена ■ задача выявления влияния факторов и их значимости на концентрацию БП в отработавших газах двигателей и на этой основе разработка рекомендаций по повышению экологической чистоты ДВС.

Методы исследования. Предложена схема, упрощающая отбор проб ОГ на БП при стендовых испытаниях двигателей. Разработана методика отбора проб паров горюче-смазочных материалов при температурах, превышающих температуру самовоспламенения. На основании ■ проведек-

3

нкх сравнительных исследований для качественного и количественного анализа-БД Еыбран спзктрально-лвминисценгный способ с использованием эффекта ¡Идольского, как наиболее точный метод (чувствительность 10"^ г/мл.).

Научная новизна. Установлено, что образование БД не ограничивается камерой сгорания, а продолжается при прохождении ОГ по выпускному тракту двигателей. Это связано с температурным режимом в Еыпускной системе. Кроме того, обнаружено, что материал выпускного тракта оказывает каталитическое воздействие на процесс дополнительного образования БД из продуктов неполного сгорания. Разработана математическая модель (уравнение регрессии) этого процесса для основных факторов, выявленных-в процессе исследования, и определивших возрастание концентрации БД по пути прохоздения' газов. Уста-ноатено, что наибольшее влияние оказывает материал выпускной системы и температура ОГ. Увеличение концентрации продуктов неполного сгорания, органических материалов, приведет к увеличения образования Ш. Добавление изопропилового спирта - к уменьшению. Наличие из'бытка воздуха в выпускном тракте практически не оказывает влияния на образование БП.

Уточнено влияние режимов работы карбюраторных двигателей на концентрацию БП в ОГ. На холостом ходу' с увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя и расхода топлива концентрация Ш в ОГ увеличивается, с увеличением нагрузки, при постоянной частоте вращения, концентрация БП уменьшается, при вступлении, в работу эконостата резко возрастает.

При исследовании сравнительной канцерогенностк карбюраторных двигателей и дизелей установлено, что, несмотря на меньыую концентрацию БП в ОГ, массовый выброс у дизелей больше при той же моещости двигателя, особенно при повышенном выбросе сажи, на которой БП хорошо адсорбируется.

Установлено, что на концентрацию БП в ОГ оказывает влияние степень износа-цилиндро-поршневой группы, в результате которого в камеру сгорания поступает моторное масло и увеличивается, содержание органики и выход БП с бг. -

Разработан способ отбора паров горюче-смазочных материалов, на который получено положительное решение о выдаче патента. В результате экспериментальных исследований ларов моторного масла уточнены данные о низкотемпературном максимуме образования БП, который находится' в пределах 350...600°С.

Практическая ценность. Предложенное уравнение регоессии поз-

воляет оценить значимость каждого из факторов, влияющих на дополнительное образование Eil в выцускной системе. Установлено содержание свободного Б11 в наиболее широко встречающихся в настоящее время горючесмазочных материалах, как следствие первичной тепловой обработки, ri результате установленного влияния технического состояния, эксплуатационных характеристик двигателей и расхода моторного масла ка образование БП, разработаны рекомендации по снижению концентрации БД в ОГ и повышению экологической чистоты ДВС.

Практическая реализация. Материалы исследований концентраций BIJ в отработавших газах ДкС в зависимости от технического состояния двигателей, режимов их работы, эксплуатационных характеристик переданы в Производственное объединение грузового автотранспорта № 7 г. Ы.Новгород. Результаты изучения воздушной среды в авто- ■ транспортных предприятиях представлены в ПО "ГАЗ", где рекомендации приняты к реализации к в Ш пассажирского автотранспорта г. h. Новгород а.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и , обсуждались на Ш Всесоюзной конференции по автодорожной медицине (Горький, г.), на Всесоюзной конференции "Повышение нзде.тшо-сти и экологических показателей автомобильных двигателей" (Н.Новгород, 1990 г.).

Публикации. По материалам исследований механизмов образования БП и его содержания в различных средах опубликовано 7 печатных работ, в том числе I положительное решение о шдаче патента.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения. Общий объем 115 страниц машинописного текста, в том числе 1у иллюстраций. Слисок литературы составляет 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБ01Ы

В первой главе приведен обзор литературных источников по теме данной работы, который показал, что в условиях современных городов, особенно крупных, автомобильные двигатели занимают ведущее* место в загрязнении окружающей среды вредными веществами, в т.ч. канцерогенными ilAJ. Вклад последних в суммарную токсичность ДВС может доходить до ¿0%. Степень канцерогенной опасности 0Г принято оценивать по содержанию в них бензапирена, как наиболее сильного в канцерогенном отношении и устойчивого к разложению углеводорода, являющегося постоянным компонентом ОГ. Исследованием механизмов образования БП и величин концентраций его в ОГ занимались

многие ученые, в частности, Б.П.Гуринов, М.А.Забежинский, И-Л.Варшавский, Р.В.Малов, В.Ф.Кутенев, Л.М.Шабад и др., а также ряд НИИ, вузов и лабораторий. Отмечено, что БД является продуктом неполного сгорания органических тошшв, однако не всегда имеется корреляция между обычными теплотехническими показателями неполноты сго-•рания - содержанием-СО, СН, сахевых частиц - и содержанием БП.

Существуют две основные гипотезы, объясняющие механизм образования БП в цилщцрах двигателя. Первая, которая в качестве источника БП называет несгорешше ассоциации конденсированных и взаимоориентированных молекул (в основном ароматического основания) , образовавшихся в топливе в процессе получения его, при транспортировке, хранении. Другая считает, что БП является следствием неполного сгорания рабочей смеси. Разработкой подобных моделей занимались А.П.Крагко, Н.М.Вихерт, Э.В.Пьядичев, А.Я.Пашш к др.

Показано, что существуют дье температурные-зоны, при которых -происходит интенсивный синтез БП: высокотемпературная -900...1200 К и низкотемпературная - 623...773 К.

Отмечено, что содержание БП в неохлажденных отработавших газах бензиновых двигателей с искровым зажиганием изменяется в пределах 0...25 мг/м3, у дизелей 0...10 мг/м3, однако массовый выброс ЕП у дизеля той не мощности выше.

Наибольшую концентрацию БД имеют ОГ, образовавшиеся на переменных режимах работы двиг&телей. В.Г.Чалабов считает, что увеличение нагрузки на двигатель приводит к возрастанию концентрации ЕП в ОГ. Г.А.Смирнов утверждает, что. наиболее опасным с точки зрения образования БП являются режимы малых нагрузок.. С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя концентрация БД возрастает. Этому же способствует увеличение содержания ароматических соединений в топливе. На уровень БП в ОГ существенное влияние оказывают эксплуатационные факторы:, концентрация ЕП повышается при увеличении износа двигателя, неправильной регулировке системы питания.

Все мероприятия, направленные на улучшение процесса сгорания топлива, приводят к уменьшению концентрации БП, а именно: форка-мерно.-факельное зажигание, интенсификаторы горения, регуляторы разрежения, антидымные присадки, и т.п. Эффективно очищают ОГ от БП нейтрализаторы с платиновыми элементами.

Таким образом, из-за сложности физико-химических процессов, протекающих,при горении топлива, в настоящее время отсутствуют общепринятые аналитические модели, удовлетворительно объясняющие 6

механизм образования Б11 в двигателе и его системах. Экспериментальные данные по изучению концентрации ЕП в ОГ ДВС довольно ограничены, носят случайный характер и противоречивы. Большая группа исследований-проведена на устаревших к-настоящему времени моделях двигателей, поэтому во многом утратила практическое значение.

Вторая глава посвящена разработке методик исследования отработавших газов, паров моторного масла, воздуха рабочей зоны автотранспортных: предприятий с целью оценки сравнительной токсичности карбюраторных ДВС и дизелей. Учитывая требования ГОСТ 17.2.¡¿.03-tí7 и ОСТ 37.001.234-01 выбрани приборная техника и оборудование.. Для отбора аэрозольных проб применен аспирационнкй прибор ¡ЗА с фильтром Лагрянова ¿Ш-ÍD.

Предложена схема установки для исследования ОГ двигателей на содержание БП при стендовых испытаниях, которая позволила отказаться от использования холодильника и сборников конденсата, что способствовало уменьшению погрешности при количественном опредс-

Расстояние L подбирается опытным путем таким образом, чтобы темпе' ратура-отработавших газов на фильтре находилась в пределах 100...150°С. Верхний предел определяется теплостойкостью фильтра: при дальнейшем повышении температуры фильтры начинают гореть, и на них происходит дожигание улавли-заемых веществ; нижний - необходимостью устранения конденсации водяных паров, содержащихся в отработавших газах.

В специальных опытах 1дабада было показано, что в этом температурном интервале нет "проскока" БП, находящегося в газовой фазе. Предложен способ отбора проб паров ГС]" при температурах, превы-■ тающих температуру самовоспламенения, суть которого заключается в .непрерывной аспирации объема газификации, что позволяет поддерживать концентрацию паров в исследуемом объеме ниже нижнего кон-

дании БД (рис. I).

i

3 отмессреру

Рис. I. Схема отбора проб на бензапирен от двигателя на стенде: I - отводная труба; И - алонж с фильтром; 3 - асшрадионная установка; 4 - термопара.

центрационного предела вэрываеыости (рис.- 2). п

с

/

71—

Рис. 2. Схема установки для отбора проб паров масла на содержание бензапирена: I - исследуемый образец масла; 2 - лаборатории му--фельная печь; 3 - холодильник; 4 - трехходовой кран; Ь - алонж с фильтром; 6 - основная аспирадионная установка; 7 ~ дополнительная асиирационная установка; Ь - кварцевая трубка; 9 - фторопластовая трубка; 10 - термопара.

, В ходе прогрева печи до заданной температуры, трехходовой кран находится в положении:

- "открыто" для дополнительной аспирационной установки (ДАц);

- "закрыто" для основной аспирационной установки (ОАц).

При выходе на заданный режим, кран открывает магистраль на

ОАц и закрывает на ДАц.

Качественное и количественное определение бензапирена производят методами газовой хроматографии, спектрофотометрии и спектрального анализа. На основании сравнительных исследований выбран спектрально-люминисцентный метод с использованием эффекта Шполь-ского как наиболее точный (чувствительность 10~^гДщ). Он позволил обеспечить суммарную погрешность измерений 1с$ Ста ГОСТ 12Л. 005-Ш допускается до 20%).

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований зависимости концентрации БП в 0Г ДВС от технического, состояния двигателей, режимов их работы, расхода моторного масла. Изучались двигатели, которыми в основном оснащен современный автомобильный парк (ШЛ-130, КамАЭ-5320, МАЭ-5335, ГАЗ-52-04, ГАЗ-бЗ-12-01). Остановлено, что концентрация БП в 0Г дизелей в 3...10 раз ниже, чем у карбюраторных двигателей и составляет от 0,ь5 до 2,44. мкг/мэ. Б целом современные двигатели выделяют БП меньше, чем прежние модели. У дизелей концентрация БД примерно одинакова у разных марок, тогда как у карбюраторных двигателей наблюдается большой разброс даже для одной марки. Исследованные неисправности топливной аппаратуры дизелей практически не оказывают влияния на Еыде-& '

ление БП, неисправности карбюратора, ведущие к нарушению процесса приготовления оптимальной т о шшвно-воздушной смеси увеличивают концентрацию БП в выхлопе приблизительно в 10 раз. Увеличение сроков эксплуатации, т.е. в конечном счете износ двигателя, также приводит к увеличению выделения Б11 в ОГ.

Исследования взаимосвязи между концентрацией БП в ОГ и режимами работы двигателя проведены при стендовых испытаниях двигателей 3!л3~4021.10. Характеристика холостого хода в зависимости от частоты вращения коленчатого вала приведена'на рис. 3. Характеристика холостого хода при частоте вращения П = 1000 мин-"'' в зависимости от расхода топлива представлена на рис. 4. Нагрузочная характеристика при п =• 2500 мин~^ представлена на рис. 5.

мкг

4" /л

/

/ 1/

у

К нет

сг*

по

Г

4сс ¿ее /ссе

/7 нин

/л с 6 с-.

,*г/ч

Рис. 3. Зависимость содержания ВЦ в иГ от частоты вращения двигателя на холостом ходу

к

млг м!

2,4 е.о

и

- \

л -v-

\ v

/ * /

✓ ат-1"

ф

г

*

4

/с

1-г мл ч

50

1.0

1°

ко

ВС ¿О Р, к&Г

1.0 п

9т

мп

с кВГ О. ¡6

0,п

о о?

ос!

Рис. о. Зависимость концентрации БП в ОГ от нагрузки на двигатель при П = 2э00 мин-1: - - - часовой расход топлива в мл/с; • - экспериментальная точка; -.-.- удельный расход топлива в мл/с.кБт,^ -экспериментальная точка; - концентрация БП в мкг/ы-3, » - экспериментальная точка.

Рис. 4. Содержание БП в ОГ на холостой ходу в зависимости от расхода топлива при П = 1000 мин--!.

В результате проведенного исследования установлено: I) с увеличением частоты вращения коленчатого вала двига- ' теля концентрация БП в 0Г возрастает; 2) с ростом нагрузки ■ на двигатель концентрация БП сначала несколько уменьшается, из-за некоторого обеднения смеси, вступление в работу эконостата приводит к обогащению смеси и резкому, в 2 раза, увеличению образования БП; 3) по мере возрастания расхода топлива возрастает и концентрация БП в ОГ. а

К

Известно, что БП имеет два температурных максимума образования: высокотемпературный и низкотемпературный. В результате лабораторных исследований моторного масла М88| ГОСТ 10541-78 определено, что'низкотемпературный максимум образования БП из продуктов неполного сгорания находится в диапазоне 350...600°С (см. ряс. 6).

Таким образом, в эту

К

нкг м*

1,0 20 '.о

.-Л

/

/

/

и

/00 ¿со ■№£> *гоо ¿со £

Рис. 6'. Зависимость содержания БП в парах моторного масла от температуры.

зону попадают 0Г, прошедшие по выдускному тракту двигателя. Проведенными исследованиями обнаружено, что ОГ, отобранные непосредственно после двигателя, содеркат БП в 200 и более раз меньше, чем ОГ, отобранные из выхлопной трубы глушителя С табл. I).

Таблица I

Содержание БП в ОГ (автомобиль и двигатель ГАЗ-52-04)

Порядковый номер автомобиля Концентрация БП в ОГ, мкг/мэ

Пробы отобраны непосред- ' ственно после двигателя Пробы отобраны из выхлопной труоы двигателя

1 2 0,016 0,020 0,Ь24 0,556

Данные анализа сажевого нагара на протяжении Еыпускной системы подтверждают это (табл. 2).

Таблица 2

Содержание БП в сажевых' отложениях на протяжении выпускного тракта, мкг/ в I г вещества

Марка Место отбора проб отложений

автомобиля Камера сгора- . ния Выпускной Глушитель трубопро- шума вод Выхлопная труба глушителя

ГАЗ-24-10, работающий на газовом топливе 0,45 0,34 2,55 4,70

ГАЗ-24-10, работающий на бензине '6,03' 11,96 33,44

Помимо,влияния температуры ОГ в выпускном тракте возможно каталитическое воздействие материала выпускной системы на допол-1С

нительное образование Б11. Это предположение проверено экспериментально. Проведены лабораторные исследования, при которых отбирались пробы паров чистого масла через резиновые шланги, затем подсоединяли выпускной тракт двигателя ГАЗ-53 и проводили повторный отбор. При этом концентрация БН увеличилась с 4,65 мкг/м3 до 12,25 мкг/м3, т.е. почти в 3,5 раза. Следовательно, материал выпускной системы является катализатором. Его'химический состав представлен

в табл- 3- Таблица 3

Химический состав материала выпускного тракта, Сталь .ОсиШ ГОСТ 10706-Ш

Углерод Кремний Марганец Босфор Магний Хром Никель .лелезо

0,07 0,03 0,22 0,004 0,014 0,08 0,15 остальн.

Роль катализатора могут играть кремний, никель, окись железа. В процессе эксперимента через .эти вещества пропускали нагретые пары моторного масла. Результаты представлены в табл. 4.

Таблица 4

■ Концентрация БП в парах, образовавшихся при нагреве моторного масла, мкг/м3

Темпе-- -юатура, *°С . В парах чистого масла 3 парах Масла, прошедшего через вещества

Сталь ОЬКП я?ерросилициум ИЛ'

350 0,34 2,73 2,53 1,76 2,22

600 , 10,0 10,0 И,4 10,5 2

Таким образом, все исследованные вещества и материалы при температуре 350°С оказывают каталитическое воздействие, концентрация БД в парах масла увеличилась в 5...в раз. При температуре 6СЮ°С такого эффекта не обнаружено.

Поскольку практически невозможно полностью исключить вредные, в том числе и канцерогенные составляющие ОГ, то проблемы их рассеивания являются не менее важными, чем снижения их количества в ОГ. Для оценки степени загрязнения окружающей среды дизелями и карбюраторными двигателяш проведены исследования воздуха рабочей зоны автотранспортных предприятий, оснащенных автомобилями с различными типами двигателей: в автобусном -парке Г< I - подвижной состав с дизельными двигателями типа МВД НАЫ ¿¡об 11; в автобусном парке № 2 подвижной состав с карбюраторными двигателями типа 672, ЗИЛ-130Я2, 3*и1-3?йН7, в таксомоторном парке изучены помеце-

ния закрытых стоянок к зона технического "обслуживания № I. Результаты анализов представлены в табл. 5. Из них следует, что при массовой работе двигателей концентрация БП в воздухе рабочей зоны * возросла зо всех случаях, причем для дизелей более резко (примерно в 10 раз), чем для карбюраторных двигателей (1,2...2,65 раза), что объясняется большим количеством выбросов БП у дизелей.

Таблица 5

Концентрация БП в юздухе рабочей зоны транспортных предприятий, мкг/м3

№ Автопредцриятие

Концентрация Таксомо- Автобус-' Автобус-

торный ный парк ный 'парк парк №2 № I

Зоновая I 0,0033 0,016 0,006

2 0,0034 0,01В 0,004 '

БП в зоне рабочей при массовом запуске двига- -гелей 1 . 2 0,0088 0,0175 • 0,0202 0,0362 0,0617 0,0509

БП в рабочей зоне через .3 часа после окончания массовой работы двигателей 1 2 0,0036 0,0061 0,0188 0,0190 0,0260 0,0483

Результаты третьей серии замеров показывают, что даже через 3 часа после окончания массовой работы, двигателей концентрация БП превышает первоначальные фоновые значения. В автопарках, оснащенных подвижным составом с карбюраторными двигателями, это превышение незначительно и составляет порядка Що к первоначальному уровню концентрации. Ь автопарках с дизелями это превышение достигает 4-10 кратного уровня. Это объясняется более медленным рассеиванием БП, находящегося в ОГ дизелей, в атмосфере из-за содержания тяжелых компонентов, частичек сахк.

В целом, обнаруженные концентрации БП превышают предельно-.допустимые для воздуха в населенных пунктах и установленные Сп 246-71 "Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий". При этом дизели в большей степени загрязняют окружающую среду канцерогенными ГШ, в т.ч. бензапиреном.

Четвертая глава посвящена исследованию значимости факторов, влияющих на концентрацию Б11 в.ОГ, путем моделирования процессов, происходящие* в выпускном тракте двигателей. Эти процессы были имитированы нагревом опытного образца моторного масла в"лабораторной камерной электропечи. При этом моделировалось изменение 12

следующих параметров: концентрации масла (этим имитировался износ двигателя, его конструктивные особенности), температурного режима, наличия катализатора стали ОЬКП ГОСТ 1070В-Ш, ингибитора - изо-лропилового спирта, а также путем изменения скорости аспирации имитировалось изменение избытка воздуха в выпускной системе. Таким образом, путем планирования эксперимента построили математическую модель, с помощью которой в виде уравнения регрессии оце- . нили влияние на концентрацию БГ1 следующих факторов: присутствия катализатора (-£»); температуры нагрева исследуемого образца С-^); концентрации масла з исследуемом образце С Х3 );'наличия кнгиби-. руюдих присадок в исследуемом образце избытка воздуха в

выпускной системе (). Пределы изменения температуры исследуемого образца моторного масла ШВ^ ГОСТ Ю541-7И выбираем из условий: с одной стороны, эти температуры должны иметь место в выпускном тракте, с другой стороны, в этом температурном диапазоне как доказано в гл. 3 начинается интенсивное образование БД. Пределы изменения концентрации масла принимались из условий изменения нормативного коэффициента расхода масла. Так как анализ концентрации БГ1 в пробе является достаточно сложным и трудоемким процессом, а также для ускорения процесса исследования решено воспользоваться дробнофакторным экспериментом.

Получаем уравнение вида:

бпз у= 4 у ¿¿^ + 6/г х,х, +дгл х3х3

,г/

генерирующее соотношение:

Составляем таблицу условий эксперимента (табл. 6). .лоэффициент регсессии линейного уравнения рассчитан по формуле: 4 = 1 ^¿„^„/Л/ л*/

где -^¿л - значение XI в Л -м опыте; - значение параметра оптимизации в этом же опыте; /У - количество опытов.

определяющий контраст

система-смешивания эффектов

Таблица б

Условия эксперимента

Факторы ■йС1 XJ 30

Основной уровень ( 350°С 0,55$ - 15 л/мин

Интервал варьирования ( лЛ\-) 50°С 0,15% - 5 л/ыин

Верхний уровень (+1) + 400° С 0,7055 + 20 л/шн

Нижний уровень (-1) 300°С 0,40% - 10 л/мин

Таблица 7

Матрица планирования эксперимента в натуральном масштабе

№ опыта Порядок реализации опыта Катализатор Температура °С Концентрация масла, % Присадки Скорость аспирации ■ пробы,л/мин Концентрация БП, мкг/ы3

I 5 есть .400 0,7 есть 20 5,7

2 8 нет 400 - " 0,7 нет 10 4,07

3 3 есть 300 0,7 есть 10 2,70

4 4 нет 300 0,7 нет 20 1,63

5 I есть 400 0,4 нет 10 . 4,65

6 7 нет 400 0,4 есть 20 2,10

7 6 есть 300 0,4. нет 20 4,25

а 2 нет 300 0,4 ' есть 10 2,00

После расчета коэффициентов регрессии проверяем их статистическую значимость. С этой целью рассчитываются доверительные интервалы' коэффициентов регрессии (& ^ ), которые в случае планов первого порядка равны'для всех коэффициентов. В общем случае дисперсия, характеризующая ошибку в определении коэффициентов регрессии определяется по формуле: л/ .

где ¿у - дисперсия опытов; о и - оценка дисперсии в точках . опытов; , уи - среднее число результатов; /п - число повторных серий опытов.

Значение рассчитываем■по результатам трех опытов. Опыт № 2 из табл. 7 грвторяем три раза. Результаты анализов приведены в табл. В.

доверительный интервал коэффициентов регрессии рассчитывает/4

Таблица 8

Данные для расчета дисперсии опытов

№ опыта Количество повторений Концентрация БД

2 I 4,07

2 4,20

3 3,90

ся по формуле: ^ ¿.

где ^¿.Ы- критерий Стьюдента при уровне значимости 0,05, т.е. при вероятности-практически невозможных событий, 2,30.

8 связи с трудоемкостью и большим объемом расчетов они выполнены по программе статс-яаритсз 1/еъ 2. Результаты расчетов приведены в табл. 9.

Таблица 9

Коэффициенты 4 " ¿f 6г. &з ¿г

Значения 3,38 0,94 0,74 .0,14 -0,25 0,03 0,11 0,62

а 4= о,о4..

Таким образом, параметром можно пренебречь. Йэсле пересчета получаем уравнение регрессии вида:

БД = У = 3,38+0,94X^,74X2+0,13X3-0,26X^,11X^40,61X3X4

После вычисления коэффициентов регрессии и проверки ¿ос значимости проводим статистический анализ уравнения регрессии. С этой целью проверяем гипотезу об адекватности данного уравнения, т.е. соответствует ли полученное линейное уравнение реальному процессу или необходима более сложная модель.

Количест венным показателем адекватности уравнения служит дисперсия неадекватности sqq. , которая определяется по формуле:

= 1 шпрссч

где Упроси- значение параметра оптимизации з П -м опыте, предсказанное уравнением регрессии; Улжсп- значение параметра в том же опыте, определенное экспериментально; /V - число степеней свободы при определении дисперсии неадекватности; К - число факторов.

Гипотезу об адекватности проверяем с помощью критерия дилера ( f -критерия): р ¿"¿iL. ^ ^ / j л

где ^ и - число степеней свободы при определении дисперсии неадекватности и опыта »5у . ^

Гипотеза об адекватности линейнои модели может быть принята» если расчетное значение г -критерия f • не превышает его табличного значения дЛЯ выбранного уровня значимости. В

результате расчета получаем: < f /9: z

Таким образом, наше уравнение является адекватным. В это уравнение факторы входят в кодированном масштабе. От кодированных значений к натуральны?,! и обратно можно переходить по формулам:

- фактор JCf может принимать только два значения: +1 (катализатор присутствует), -I (катализатор отсутствует):

^ ~~ & . . J== -о7г

~ фактор может принимать только два значения: +1 (ингибитор присутствует), -I (ингибитор отсутствует).

Проведем анализ полученного уравнения. Чем больший по модулю коэффициент находится перед каждым фактором, тем большее влияние оказывает он на определяемую величину с учетом системы смешивания эффектов, иднако, если учесть, что -Xj- можно пренебречь, факторы X/ и Хц имеют качественный характер, можно сделать вывод о там, что только влияние -it у - наличия ингибитора, мы не можем оценить в чистом виде, на него накладывается парное взаимодействие факторов 3-/ и , прочие коэффициенты отражает влияние каждого конкретного фактора. Следовательно, присутствие катализатора оказывает самое существенное влияние на образование ВН. Так, наличие катализатора при условии нахождения других факторов на основном уровне, увеличивает концентрацию БД с 2,72 до 4,59 мкг/м3, т.е. на 7Q&. Значительное влияние оказывает температура в выцускнсм тракте. При увеличении температуры на Ю°С концентрация БД.возрастает на 0,15 мкг/м3. Существенно таг: же взаимодействие температуры и концентрации масла. Влияние других факторов менее выражено, тем не менее с увеличением концентрации масла содержание БД возрастает, а присутствие изопропилового спирта уменьшает количество ЬД.

ОСпОсШВ ЫШДы, рдаЖГАТЫ И PJStiOMai4A4iiii

I. Доказано, что в условиях современных городов,* особенно крупных, автомобильные двигатели внутреннего сгорания занимают ведущее место в загрязнении окружающей среды канцерогенными полициклическими ароматическими углеводородами (ДАУ). Вклад канцерогенных Ши в суммарную токсичность ОГ дБС может доходить до 2с панцерогенносгь ОГ принято оценивать по содержанию з них бенза-пирена СЕД), как наиболее сильного в канцерогенном отношении и 15

устойчивого углеводорода, являющегося постоянным компонентом 01'.

2. Предложена схема!,, упрощающая отбор проб отработавших газов на содерхание ЕП при стендовых испытаниях двигателей. Разработан способ отбора проб паров горюче-смазочных материалов при температурах;, превышающих температуру самовоспламенения, на который 'получено решение о Еццаче патента по з&чзке № 4319112/26 от ¿4.04.90. -'

3. На основании проведенных сравнительных испытаний показано, что спектрально-люминисцентный метод качественного и количественного определения наличия БД в пробах является предпочтительным. Зго применение позволило обеспечить погрешность измерения в пределах ы (по ГОСТ 12.1.005-ьь допускается 20%) при чувствительности метода Ю-^ г/мл.

4. Установлено, что концентрация БД в 0Г дизельных двигателей в 3...10 раз нкке, чем у карбюраторных, причем если величины, характеризуощие наличие БП "у дизелей различных марок приблизительно одинаковы, то для карбюраторных: наблюдается большой разброс даде для одной модели. Тем не менее, из-за большего (по сравнению с карбюраторными двигателями одинаковой йощности) массового выброса 1Ш с 0Г и худшего их рассеивания в атмосфере с тяжелыми компонентами ОГ, в том числе с сгшей, дизельные двигатели в большей мере загрязняют окружающую среду.

5. Установлено, что' исследованные неисправности топливной системы дизелей не оказывают существенного злияния на содержание БП в 0Г, тогда как неисправности карбюратора, ве,пущие к нарушению процессов приготовления оптимальной топливно-воздуиной смеси значительно увеличивают концентрацию БП в зыхлопе.

6. С увеличением пробега автомобиля, т.е. в конечном счете, по мере1износа двигателя, концентрация БП в 0Г возрастает, причем влияние пробега у дизелей шраясено слабее.

7. Установлено, что на холостом ходу концентрация БП в ОГ плавно увеличивается с .увеличением частоты вращения коленчатого зала двигателя и с.увеличением расхода топлива. Наиболее экологически чистым для карбюраторных двигателей является режим средних нагрузок.

6. На основании сопоставления результатов проведенных исследований с литературными датами установлено, что отработавшие газы современных двигателей содержат меньшее количество БП, по сравнению с моделями более ранних выпусков.

определено, что горюче-смазочные магевиалы - топливо и

моторное масло, .содержат Ш в свободном состоянии. ГЬ мере увеличения потребления моторного масла концентрация БП в ОГ возрастает. Установлено, что максимальное образование БП в парах моторного масла наблюдается в температурном диапазоне 350...600°С.

10. "Исследования показали, что ОГ при зыбросе через выпускной тракт содержат большее количество БП, чем образовалось в камерах сгорания, вследствие каталитического воздействия материала выпускной системы.

11. В результате моделирования процессов, протекающих в ОГ при прохоэдении ими выпускного тракта двигателей, составлено уравнение регрессии, связывающее концентрацию БП с параметрами, характеризующими эти цроцессы.

На основании проведенных исследований можно дать некоторые ■ рекомендации по возможным путям снижения содержания БП в ОГ.

I. В целях защиты окружающей среды от канцерогенных ПАУ, содержащихся в ОГ, и расширения исследований по данной проблеме необходимо включить БП в число нормируемых компонентов ОГ.

Z. В качестве сырья для производства горюче-смазочных материалов целесообразно выбирать нефти, содержащие наименьшее количество БП в свободном состоянии. Этому требованию лучше всего отвечают месторождения Белоруси, в частности Сосновское.

3. В области технической эксплуатации необходимо не допускать работы двигателей, особенно карбюраторных, с расходом масла, превышающим нормативный, а также при пробегах больше допустимых до капитального ремонта вследствие повышенного выделения БП у изношенных двигателей. При диагностике карбюраторных двигателей особое внимание следует уделять регулировке карбюратора.

4..Все мероприятия, направленные на улучшение рабочего процесса в двигателях, способствуют.укеньшению концентрации БП в ОГ, а именно: обеднение смеси, в том числе на ражиме принудительного холостого хода путем установки регуляторов разрежения, применение интенсификаторов горения, в частности изопропилового спирта, моющих, анткдымных присадок к др.

5. аля устранения каталитического воздействия материала выпускного тракта (Ст. 0<±Ш) поверхности его деталей целесообразно эмалировать, или изготовлять из нержавеющих сталей, а также применять модификаторы, создающие на рабочих поверхностях полимерные пленки. ...

о. нейтрализаторы в значительной степени снижают выброс БП в окружающую среду. При выборе места установки нейтрализатора необ-/5

ходимо обеспечивать оптимальный температурный режим, а именно 350...450°С.

7. Учитывая, что практически невозможно исключить вредные, в том числе канцерогенные, составляющие в 0Г ДЬС и тот фактор, что в воздухе рабочей зоны автотранспортных предприятий обнаруженные концентрации БД превьшают предельно-допустимый уровень, необходимо на этапе проектирования таких предприятий участки, на которых производится запуск двигателей, изолировать от прочих производственных помещений. Системы вентиляции монтировать таким образом, чтобы в "чистых" зонах был подпор воздуха, а в "грязных" - разрежение.

Основные положения диссертации изложены з следующих работах:

1. Платонов Б.11., Баранов Е.Л., Курагина Т.Н. и др. Автомобильный транспорт как источник загрязнения атмосферного воздуха канцерогенными веществами / Материалы Всесоюзн. конф. по автодорожной медицине.- Горький, 1969.- С. 91-93.

2. Платонов Д.Б., Маслеева О.В., Курагина Т.Н. К зопросу о канце-рогекности в литейном производстве / Прогрессивные методы получения отливок.- Горький, 1989.- С. 73-74.

3. Платонов Б.П., Романов В.С., Курагина Т.П. Сколько бензапирена в рабочей зоне // Автомобильный транспорт.- 1989.- № 10.- С. 43-44.

4. Платонов Б.П., Маслеева О.В., Курагина Тл1. Исследование причин канцерогенности выбросов при- электроплавке / Охрана труда к прогрессивные технологические прцессы в литейном производстве, порошковой металлургии и машиностроении.- Чебоксары, 1990.-С. 9-10.

о. Платонов Б.П., Курагина Т.П. Канцерогенность в литейном производстве / Охрана труда и прогрессивные технологии в литейном производстве, порошковой металлургии и машиностроении,- Чебоксары, 1990.

6. Платонов Б.П., каслеева О.Б., Курагина 'Г.И. Исследование выбросов электродугоЕих плавильных печей / экологические проблемы литейного производства России.- Пенза, Г991,- С. 12-13.

7. Положительное решение по заявке 4о!^П2/25 от 25.04.90. Способ отбора проб газовой смсси / Б.Ц.Платонов, Т.Н.Курагина.