автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и исследование комбинированного устройства снижения токсичности отработавших газов дизелей, используемых в сельском хозяйстве

На правах рукописи

ЧЕРНЕЦОВ Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ

ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность 05.20.01 Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мичуринск-Наукоград РФ 2013

005531006

Работа выполнена на кафедре «Автомобильная и аграрная техника» автотранспортного факультета федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГГУ»).

Научный руководитель Капустин Василий Петрович,

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник сельского хозяйства России

Официальные оппоненты: Тырнов Юрий Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук», лаборатория «Использование машинно-тракторных агрегатов», заведующий

Истомин Сергей Викторович,

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

Ведущая организация федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I»

Защита диссертации состоится 10 июля 2013 г. в 10 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «МичГАУ») по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «МичГАУ», с авторефератом - на официальном сайте ФГБОУ ВПО «МичГАУ»: www.mgau.ru.

Автореферат разослан « » июня 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ——^ Ланчев Владимир Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В сельском хозяйстве нашли широкое применение дизельные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), вместе с тем при работе они выбрасывают в атмосферу большое количество вредных газообразных веществ, которые отрицательно влияют на здоровье людей, приводят к снижению урожайности и продуктивности животных.

В настоящее время введены более жесткие ограничения на допустимую концентрацию в отработавших газах (ОГ) оксидов азота N0* и сажи.

Решением Правительства от 20.01.2012 г. №2 установлены следующие нормы концентрации вредных веществ в отработавших газах дизельных ДВС: СО - 1,5; СН - 0,26; N0, - 2,00; С - 0,08 г/(кВт ч).

Ужесточение норм на токсичность обуславливает необходимость разработки новых и улучшения существующих способов и средств очистки отработавших газов дизельных ДВС, обладающих высокой степенью очистки и большим сроком службы, а также минимальным воздействием на топливно-экономические показатели двигателей.

Предлагается гипотеза, что очищать ОГ от загрязняющих веществ можно комбинированным устройством снижения токсичности (КУСТ), включающим несколько ступеней очистки, с минимальным воздействием на топливно-экономические показатели ДВС. Разработка устройства для снижения токсичности ОГ при эксплуатации дизельных ДВС является одной из важнейших задач, выполнение которой имеет существенное значение для сельского хозяйства страны.

Степень разработанности темы. Для снижения токсичности ОГ дизельных ДВС используются следующие способы: изменение конструкции ДВС; применение альтернативных видов топлива; улучшение качества топлива; оптимизация режимов работы ДВС; поддержание технически исправного состояния транспортных средств (ТС); очистка ОГ в выпускной системе двигателя. Однако использование разработанных средств очистки ОГ на основе существующих способов недостаточно эффективно: низкая степень очистки; высокая стоимость; небольшой срок службы; металлоемкие.

Исследования проведены в соответствии с долгосрочной городской целевой программой «Экология и природные ресурсы города Кирсанова Тамбовской области на 2010-2015 годы» от 11.10.2009 г. № 1399 для обеспечения экологического благополучия и экологической безопасности населения города Кирсанова, рационального использования природных ресурсов, снижения негативного влияния экологического фактора на здоровье населения, предотвращения загрязнения и восстановления природных комплексов, сохранения качества окружающей среды и со стратегией машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года.

Цель исследований: снижение токсичности отработавших газов дизелей, используемых в сельском хозяйстве.

Задачи исследований:

— разработать и обосновать конструктивно-технологическую схему комбинированного устройства для очистки отработавших газов дизелей;

— разработать математическую модель описания процессов, протекающих в устройстве при очистке отработавших газов;

— провести экспериментальные исследования и определить зависимости удельных показателей эффективности устройства от мощности и режимов работы двигателя;

— провести испытания устройства очистки отработавших газов в производственных условиях;

— провести оценку экономической эффективности устройства снижения токсичности и установить целесообразность его применения.

Объект исследований: процессы очистки отработавших газов от токсичных компонентов и устройство их обеспечивающее.

Предмет исследований: установление зависимостей топливно-экономических показателей ДВС, токсичности ОГ от мощности и режимов работы ДВС при использовании устройства очистки.

Научная новизна диссертационного исследования:

— классификация способов и средств снижения токсичности отработавших газов дизелей;

— конструктивно-технологическая схема устройства очистки отработавших газов дизелей;

— математическая модель процессов, протекающих в устройстве при очистке отработавших газов;

— зависимость коэффициента загрязнения металлической сетки от ее массы;

— усовершенствованная методика расчета экономической эффективности устройства снижения токсичности отработавших газов дизелей.

Практическая значимость. Использование комбинированного устройства снижения токсичности ОГ дизельных двигателей мощностью 150...220 кВт позволяет снизить вредные выбросы: сажи - на 80; СО -на 60; N0^ - на 55; СН - на 45%.

Новизна конструкции разработанного средства очистки подтверждена патентом РФ № 2459091.

Результаты диссертационных исследований могут быть использованы предприятиями агропромышленного и автотранспортного комплексов, эксплуатирующими мобильную технику с дизельными двигателями, научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке средств снижения токсичности ОГ дизельных ДВС, а также в учебном процессе вузов.

Методика исследований. В теоретических исследованиях использовались законы газовой динамики и физико-химических процессов. Экспериментальные исследования проводились на основе общих и частных методик испытания ДВС на топливную экономичность, дымность и токсичность. При этом использовались современные способы измерений и приборы, обработка экспериментальных данных проводилась методом математической статистики.

Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:

- классификация способов и средств снижения токсичности отработавших газов дизелей;

- конструктивно-технологическая схема устройства очистки отработавших газов дизелей;

- математическая модель газодинамических и физико-химических процессов, протекающих в устройстве снижения токсичности отработавших газов;

- зависимости критериев эффективности устройства очистки отработавших газов дизелей от мощности и режимов работы двигателя;

- усовершенствованная методика расчета экономической эффективности средств снижения токсичности отработавших газов дизелей;

- зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований и эксплуатационных испытаний устройства очистки отработавших газов дизелей.

Достоверность результатов подтверждается использованием современных методик и оборудования, достаточным количеством экспериментов, соответствием экспериментальных данных теоретическим результатам исследований, результатами внедрения КУСТ в производство, публикацией результатов в ведущих журналах, одобрением докладов, представленных на международных и региональных конференциях.

Реализация результатов исследования. Экспериментальное средство снижения токсичности ОГ дизелей, установленное на тракторах К-701Р и автомобилях МАЗ, КАМАЗ, прошли производственную проверку и приняты к внедрению в ряде предприятий: ЗАО агрофирма «Свобода» Тамбовской области, ООО «СтройСнаб» и ООО «Еврострой-СД» Москвы; аналитические и экспериментальные результаты исследований используются в учебном процессе ТГТУ по направлениям 110300 «Агро-инженерия» и 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены и одобрены: на заседаниях кафедры «Автомобильная и аграрная техника» ТГТУ в 2008 -2012 гг.; на международных научно-практических конференциях ГНУ ВНИИТиН 2011, 2012 и 2013 гг.; на 6-й Международной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (г. Тамбов, 2009).

Публикация результатов исследований. По результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе 8 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение. Общий объем публикаций составляет 4,34 печ. л., из них автору принадлежит 2,9 печ. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 28 таблиц, список литературы из 130 наименований, в том числе 10 на иностранных языках, 17 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, определены цель, объект и предмет исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость.

В первой главе «Анализ способов и средств очистки отработавших газов дизельных двигателей» представлены: количественный и качественный состав токсичных компонентов в ОГ дизелей; влияние дизелей на окружающую среду. Проведен анализ существующих способов и средств очистки ОГ дизелей, который показал, что самым эффективным способом является физико-химическая и термическая обработка ОГ в выпускной системе ДВС, а конструкция средства очистки должна быть комбинированной, т.е. сочетать функции катализатора, сажевого фильтра и вторичный дожит ОГ. В диссертационной работе автором сформулировано определение «вторичный дожит», заключающийся в том, что происходит направление части потока ОГ, прошедшего очистку, на повторную.

Обеспечению экологической безопасности дизелей за счет очистки ОГ в выпускной системе посвятили работы такие ученые, как В.А. Звонов, В.И. Смайлис, В.А. Лиханов, A.M. Сайкин, И.Б. Тришкин, A.B. Ни-колаенко, H.H. Патрахальцев, В.И. Цыпцын, А.П. Уханов, B.C. Швыдкий, В.А. Стрельников, C.B. Истомин, О.П. Жегалин и др.

В результате анализа исследований разработана классификация способов и средств снижения токсичности ОГ дизелей.

Сформулированы задачи исследований:

— разработать и обосновать конструктивно-технологическую схему комбинированного устройства для очистки отработавших газов дизелей;

— разработать математическую модель описания процессов, протекающих в устройстве при очистке отработавших газов;

— провести экспериментальные исследования и определить зависимости удельных показателей эффективности устройства;

— провести испытания устройства очистки отработавших газов в производственных условиях;

- провести оценку экономической эффективности устройства снижения токсичности и установить целесообразность его применения.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса очистки отработавших газов от вредных веществ» разработана и обоснована конструкция комбинированного устройства снижения токсичности ОГ дизеля (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид КУСТ дизеля:

1 - слой катализатора (реактор); 2 - верхняя часть корпуса; 3 - нижняя часть корпуса; 4 - патрубок; 5 - эжектор; 6 - диффузор; 7 - фильтр-отстойник; 8 - металлическая сетка; 9 - прокладка; 10 - гайка; 11 ~ электрическая спираль; 12- уплотнительные прокладки; 13- блок управления; 14 - электрические провода; 15 - входная решетка; 16 - выходная решетка; 17 - биметаллическая цилиндрическая пружина; 18 - конфузор; 19 - выходной патрубок; 20 - Г-образный патрубок

Комбинированное устройство содержит корпус, в котором размещен слой катализатора 1, состоящий из верхней 2 и нижней 3 частей.

Нижняя часть соединена через патрубок 4, в котором установлен эжектор 5, с системой выпуска ДВС. Эжектор представляет собой усеченный конус.

На входе в нижнюю часть корпуса установлен диффузор 6, который имеет форму усеченного конуса. Снизу на корпус навинчивается фильтр-отстойник 7 с металлической сеткой 8, который герметизируется прокладкой 9. На днище фильтра-отстойника имеется гайка 10 под ключ для удобства его постановки и снятия.

Между верхней и нижней частями корпуса установлена электрическая спираль 11 (рис. 2) в керамическом корпусе, который установлен через прокладки 12. Спираль соединена проводами 14 с блоком управления 13.

Слой катализатора 1, состоящий из засыпанных гранул, расположен между входной 15 и выходной 16 решетками. Между входной решеткой и корпусом спирали установлен компенсирующий элемент 17 в виде цилиндрической пружины из биметалла. Верхняя 1 и нижняя 2 части корпуса соединены болтовым соединением. В верхней части корпуса имеется конфузор 18 с двумя патрубками, один из которых 19 связан с атмосферой, а другой 20- с полостью входного патрубка 4.

Процессы очистки отработавших газов в КУСТ представлены на рис. 3 в виде блок-схемы. По рисунку видно, что поток ОГ, проходя через эжектор, смешивается с газами, которые прошли очистку, и поступает в фильтр-отстойник, где конденсируются компоненты ОГ, несконденсиро-ванные газы дожигаются электрическим нагревателем.

Затем поток газов поступает в реактор, где в результате химических реакций вещества токсичных компонентов оседают на поверхности катализатора. Часть потока, прошедшего очистку, поступает на повторную через эжектор, остальная поступает в атмосферу.

А - А

Рис. 2. Электрическая спираль

Рис. 3. Блок-схема процессов очистки ОГ в КУСТ

Согласно закону сохранения энергии

ВХ . ВЫХ А / , \

тог + да, -тк01Щ -тк-тэ-тог = 0, (1)

где /идг ~ масса загрязняющих веществ ОГ на входе в КУСТ, кг; тэ -масса эжектируемого газа, кг; /иконд - масса конденсата, кг; тк - масса

частиц, осевших на поверхности катализатора, кг; т™ - масса загрязняющих веществ ОГ на выходе КУСТ, кг.

Разделив уравнение (1) на время, получим уравнение расхода газа:

СВХ /—тВЫХ __.

ОГ ~ °ОГ ~ °к + °конд >

где О'т ~ количество загрязняющих веществ на входе в КУСТ, кг/ч;

0*0? - количество загрязняющих веществ ОГ на выходе КУСТ, кг/ч;

Ск - количество частиц, осевших на поверхности катализатора, кг/ч;

Сгконд - количество образовавшегося конденсата, кг/ч.

Изменение количества загрязняющих веществ ОГ в КУСТ определяется суммой скорости конденсации газов и скорости расходования исходной смеси газов в результате химической реакции, протекающей в катализаторе.

АО = ^ (16 (г5 - г03 ) + к(Т)АСОр2Яр), (2)

где р - плотность ОГ, кг/м3; / - время протекания химико-технологического процесса, ч; г - максимальный радиус капли, м; г0 - минимальный радиус капли, м; к(Т) - константа химической реакции; АС - изме-

нение концентрации ОГ, в долях; £>р - диаметр реактора, м; #р - высота

слоя засыпки катализатора (высота реактора).

Уравнение падения давления в КУСТ очистки ОГ имеет вид:

4Р = 5 общ-у. О)

где £,общ - газодинамический коэффициент сопротивления устройства; р - плотность ОГ, кг/м3; "и - скорость потока ОГ в КУСТ, м/с.

Для характеристики процесса очистки ОГ в КУСТ были введены два удельных показателя: качество очистки ОГ и энергоемкость устройства.

Удельный показатель качества очистки ОГ характеризует долю очищенных токсичных компонентов, приходящуюся на килограмм топлива в единицу времени, и определяется как отношение степени очистки ОГ к массовому расходу топлива:

е ^вх ^вых Л °0Г"(-70Г- -100%

Чье = ±--> %/(кг/ч), (4)

&т

где (тт — массовый расход топлива, кг/ч.

Удельный показатель энергоемкости устройства характеризует потери энергии в КУСТ, приходящиеся на килограмм топлива в единицу времени, и определяется как отношение степени изменения давления ОГ в

устройстве снижения ОГ к массовому расходу топлива:

( „вх _ „ЕЬК ^

Рог Рог- -100% ВХ

дд , = ^ РОГг J-, %/(кг/ч), (5)

где рог - давление ОГ на входе в КУСТ, Па; - давление ОГ на выходе из КУСТ, Па.

Таким образом, по рассчитанным удельным показателям (4, 5) можно судить об оценке эффективности КУСТ и других аналогичных устройств.

Эффективность КУСТ характеризует работу устройства и показывает, во сколько раз удельная степень очистки ОГ от токсичных компонентов превышает удельную степень повышения противодавления в КУСТ и определяется отношением удельного показателя качества очистки (4) к удельному показателю энергоемкости (5):

Экуст . (6)

Яар

евх /-18ЫХ

ОГ ~ °ОГ

Свх

ОГ у

„вх _ пвьк Рог Рог

„вх

Рог

Возможны два варианта значений показателя эффективности КУСТ ОТ, по которым проводится оценка работы устройства:

1. Экуст > 1 - значит, удельный показатель качества очистки ОГ превышает удельный показатель энергоемкости КУСТ, т.е. устройство эффективно работает.

2. Экуст <1 - в этом случае показатель энергоемкости равен или выше удельного показателя качества очистки, т.е. устройство не эффективно.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведены общие и частные методики исследований зависимостей расхода топлива, потерь давления, температуры и количества ОГ от мощности ДВС, а также токсичности дизеля.

Исследования устройства, установленного на автомобиле КАМАЗ-53212, проводились в соответствии с ГОСТ 14846-81 и ГОСТ 18509-88 в ООО «Тамбовтехцентр» Управления ГИБДД УМВД России по Тамбовской области на стационарном универсальном тормозном стенде СТС-13У-СП-11. При проведении исследований на стенде определялись параметры работы двигателя под нагрузкой, определяемой скоростью автомобиля на первой передаче. Исследования проводились при температуре окружающего воздуха 25 °С, давлении 740 мм. рт. ст.

Схема подсоединения приборов к двигателю представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема подсоединения приборов:

1 - двигатель КАМАЗ-740; 2 - экспериментальный КУСТ; 3 - измеритель температуры; 4 - пьезометры; 5 - расходомер ОГ; 6 - газоанализатор; 7 - дымомер; 8 - расходомер топлива

В КУСТ установлен никельсодержащий катализатор тройного действия без применения драгоценных металлов, разработанный НИИ химии Саратовского государственного университета, представляющий собой гранулы. Электропитание электрической спирали для дожита ОГ в устройстве

очистки осуществляется от аккумуляторной батареи 12 В емкостью 60 Ач. Напряжение электрической нихромовой спирали составляет 11,8 В, сопротивление 3 Ом, мощность 46 Вт.

Измерение мощности ДВС осуществлялось косвенным методом с помощью показаний приборов стенда СТС-1 ЗУ-СП-11.

Для измерения дымности ОГ дизеля применялся дымомер Инфра-кар-1, соответствующий ГОСТ Р 41.24-2003 и ГОСТ Р 52160-2003. Для замера часового расхода топлива использовался расходомер серии «Порт-1».

Для измерения концентраций токсичных компонентов ОГ дизеля применялся газоанализатор TESTO-350, соответствующий ГОСТ 13320-81. Перепад давления между входом в КУСТ и его выходом определялся жидкостным манометром. Для измерения температуры ОГ на входе и выходе КУСТ использовался измеритель портативный (ИТП-2, пределы измерения 0... 1000 °С).

Для вычисления коэффициента загрязнения сетки определялись потери давления в устройстве с установленной новой сеткой и загрязненной, также измерялись массы новой сетки и загрязненной при каждом испытании.

Опыты проводились в трехкратной повторности при максимальной мощности ДВС на установившемся режиме. Замеры параметров проводились при наработке ДВС, начиная с установки нового КУСТ до максимального срока службы устройства, что позволило определить поправочный коэффициент в реальных условиях эксплуатации устройства.

Для проведения исследований были взяты две идентичные новые сетки, жидкостный манометр и лабораторные весы CBL120H. Одна из сеток устанавливалась в КУСТ в качестве нижнего ограничителя катализатора и эксплуатировалась до наработки 50 моточасов. После этой наработки верхняя часть корпуса КУСТ разбиралась, удалялся катализатор и его верхняя ограничительная решетка для того, чтобы исключить влияние их засоренности на потери давления в КУСТ. Проводился замер массы новой и эксплуатируемой сеток. Затем загрязненная сетка устанавливалась на место в КУСТ, которое собиралось без катализатора и верхней решетки. Проводился замер противодавления в КУСТ. После этого загрязненная сетка извлекалась и устанавливалась новая. Проводился замер противодавления.

Новая сетка снималась и устанавливалась загрязненная. КУСТ собиралось вместе с катализатором и верхней решеткой для создания реальных условий загрязнения сетки. Устройство эксплуатировалось 500 моточасов, замеры проводились через каждые 50 моточасов.

Эксплуатационные испытания разработанного КУСТ ОГ проводились без специальной методики на предприятиях г. Тамбова и Москвы. Объектами испытаний были дизельные двигатели мощностью 150...220 кВт, установленные на автомобили КАМАЗ, МАЗ и колесные тракторы К-701Р. Средняя наработка за время исследований составила 500 моточасов. 12

Оптимизация КУСТ ОГ заключалась в аппроксимации зависимостей критериев эффективности конструкции по результатам экспериментальных данных и выборе оптимальных параметров устройства.

Результатом оптимизации параметров КУСТ является нахождение экстремумов функций:

ех1г(4дс)->тах(4д0), ех^дрЭ-^тт^др).

Наиболее важными факторами данных функций являются: диаметр реактора (зона засыпки катализатора), высота реактора (высота слоя засыпки) и диаметр гранул катализатора. Для решения компромиссной задачи был реализован трехуровневый план Бокса-Бенкина второго порядка.

В качестве основного критерия оптимизации был принят удельный показатель энергоемкости , %/кВт, который определялся по формуле (5), дополнительным критерием оптимизации взят удельный показатель качества очистки ОГ дАС , %/кВт, который определялся по формуле (4).

Обработка опытных данных и оптимизация параметров КУСТ проводилась на ПК с помощью прикладных программ 81аПвПса 6.0 и МаЛса(1 15.0.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований и их анализ» приведены результаты исследования зависимостей расхода топлива, потерь давления, температуры, расхода и токсичности ОГ от мощности ДВС.

С установкой КУСТ ОГ расход топлива возрастает на 1,1%. Это происходит вследствие появления дополнительных сопротивлений на выходе отработавших газов. Уравнения регрессии имеют вид:

- без КУСТ вт (ЛГ) = 10,952- 0,027л:+1,291 -Ю-3*2;

- с КУСТ Сткуст (ЛГ) = 10,845 -0,021х +1,271 -10~3 л:2.

Давление ОГ возрастает с ростом нагрузки и имеет большее значение

при максимальной загрузке двигателя. Установка КУСТ ОГ приводит к потерям давления, которые с увеличением нагрузки изменяются незначительно.

Уравнения зависимости давления ОГ от мощности ДВС имеют вид:

- без КУСТ рог (№) = 21720 + 79,747х + 3,418х2;

- с КУСТ РогСТ(Ю = 20290+ 78,293* +3,431х2.

Зависимость температуры ОГ на входе и выходе КУСТ от загрузки

ДВС практически линейна и определяется следующими факторами: увеличением количества сжигаемого топлива, интенсивностью теплопередачи от КУСТ во внешнюю среду и повышением давления ОГ перед устройством. Уравнения регрессии имеют вид:

- без КУСТ Тот= 178,975 + 4,643х-7,722- КГ3*2;

- сКУСТ Г^ст(ЛО = 225,883 + 3,91х-3,094-Ю"3л:2.

Результаты исследований токсичности ОГ представлены на рис. 5-8.

Анализ изменения концентрации оксида углерода (СО) (рис. 5) показывает, что с ростом используемой мощности концентрация СО увеличивается с 0,092 до 0,303 г/м3 за счет неполноты сгорания топлива и снижения длительности процесса. Концентрация оксидов углерода на выходе КУСТ ниже на 15...57%, чем на входе, особенно в области высоких нагрузок двигателя и при больших температурах ОГ, что способствует лучшему сгоранию оксидов углерода.

Уравнения регрессии имеют вид:

- безКУСТ Ссо(ЛГ) = 0,079 + 7,986-10_4х + 4,529-10"бл:2 ;

- сКУСТ С^ст(АО = 0,083+ 1,209-Ю-4л:+ 1,246-10"6х2.

С. г м:г

0.216 0.172

0.125Л АО ^

15 30 45 «0 73 50 205 120 N. кВт

• в в Экспериментальные значения без КУСТ

— Аппроксимирующая кривая без КУСТ

♦ ♦ ♦ Экспериментальные значения с КУСТ

- - - Аппроксимирующая кривая с КУСТ «•»•«• Норма Евро-4 и Евро-5

Рис. 5. Зависимость концентраций СО в ОГ от используемой мощности двигателя

Анализ изменения концентрации оксидов азота (рис. 6) показывает, что с ростом нагрузки на ДВС их концентрация возрастает практически

14

линейно и имеет наибольшее значение при максимальной нагрузке, причем на режимах высокой нагрузки концентрация МОх увеличивается более резко. Это связано с тем, что с увеличением используемой мощности ДВС и уменьшением коэффициента избытка воздуха происходит недожог топлива, что способствует образованию оксидов азота. Из рисунка 6 следует, что КУСТ более эффективно работает при нагрузках более 40%.

Уравнения регрессии имеют вид:

- без КУСТ (Л0 = ОД 1 + 6,75• 10^* +5,875-т'6*2;

- с КУСТ с£оСТ (Ю = 0,088 + 4,307 -10-4 х + 6,566-10~7 х2 .

в в в Экспериментальные значения без КУСТ ——Аппроксимирующая кривая без КУСТ

♦ ♦ ♦ Экспериментальные значения с КУСТ

Аппроксимирующая кривая с КУСТ ™ • «■ Норма Евро-4

• • • • Норма Евро-5

Рис. 6. Зависимость концентраций Ж)* в ОГ от используемой мощности двигателя

Концентрация углеводородов в ОГ при повышении нагрузки на двигатель возрастает от 0,006 до 0,038 г/м3 (рис. 7), т.е. выбросы СН при максимальной мощности в шесть раз больше, чем при минимальной нагрузке. Такая зависимость объясняется увеличением расхода топлива и

повышением количества углеводородов, выделяющихся при сгорании топлива в камере сгорания. Уравнения регрессии имеют вид:

- без КУСТ Ссн(Лг) = 6,567-Ю"3 — 5,485-10~5л: + 1,785-10~бл:2;

- сКУСТ СснСТ(Л0 = 5,35-10"3-6, 212-10~бх+7,576-МГ1 х1.

в в в Экспериментальные значения без КУСТ ——Аппроксимирующая кривая без КУСТ

• ♦♦ Экспериментальные значения с КУСТ

• . . Аппроксимирующая кривая с КУСТ «■»•■» Норма Евро-4

• • • • Норма Евро-5

Рис. 7. Зависимость концентрации углеводородов в ОГ от используемой мощности двигателя

Анализ зависимости, представленной на рис. 8, показывает, что с увеличением нагрузки на ДВС концентрация сажи в ОГ возрастает практически линейно. Это связано с недогоранием топлива в камере сгорания. Концентрация сажи увеличивается с 0,007 до 0,031 г/м3 (в 4,5 раза) без КУСТ и с 0,002 до 0,007 (в 3,5 раза) с КУСТ. На выходе КУСТ в зависимости от увеличения нагрузки концентрация сажи изменяется в меньшем диапазоне, так как при высоких температурах сажа лучше сгорает. Зависимости концентрации сажи от мощности ДВС имеют вид:

- без КУСТ Сс(Ы) — 4,587-10~3 +1,196-10-4х +3,906-10~7х2;

- сКУСТ СсУСТ(-М) = 2,1-Ю-3 +1,677-10~5х +9,428-10~8л:2 .

В таблице 1 приведено сравнение содержания токсичных веществ в ОГ двигателя КАМАЗ-740, полученных при проведении исследований КУСТ и нейтрализатора отработавших газов дизеля (НОГД) (пат. РФ № 2174184), используемого в качестве прототипа.

• ® # Экспериментальные значения без КУСТ ——Аппроксимирующая кривая без КУСТ

♦ ♦ ♦ Экспериментальные значения с КУСТ » » - Аппроксимирующая кривая с КУСТ

® «• Норма Евро-4 и Евро-5 Рис. 8. Зависимость концентрации сажи в ОГ от используемой мощности ДВС

Применение устройства очистки ОГ позволяет выполнять нормы Евро-У по всем токсичным компонентам. Средняя степень очистки ОГ составляет: по СО - 60; по СН - 45; по N0* - 55 и по саже - 80%.

1. Сравнение содержания токсичных составляющих в ОГ дизельных ДВС с нормативами

Токсичный Нормативы ДВС КАМАЗ-740

компонент Евро-Ш Евро-1У Евро-У Без КУСТ СНОГД С КУСТ

СО, г/(кВт-ч) 2,10 1,50 1,50 3,71 1,78 1,48

СН, г/(кВт-ч) 0,66 0,46 0,26 0,46 0,42 0,25

МОЛ., г/(кВт ч) 5,00 3,50 2,00 4,31 2,67 1,94

С, г/(кВт-ч) 0,127 0,08 0,08 0,38 0,137 0,076

Потери давления ОГ при использовании загрязненной сетки в КУСТ возрастают с увеличением наработки ДВС. Это происходит из-за загрязнения проходного сечения сетки вследствие окисления и нагара, что препятствует поступлению ОГ в катализатор. При наработке 250...400 мото-

часов масса сетки резко увеличивается, так как нагар активно нарастает и закрывает проходное сечение.

Уравнение регрессии имеет вид:

т(№) = 15,317 -1,208 • 1х +1,991 • 10"6 х2.

Коэффициент загрязнения сетки определяется не только сравнением ее массы с новой сеткой, но при этом учитываются условия ее загрязнения (температура, скорость и состав ОГ). В нашем случае поправочный коэффициент составил к = 0,868 ± 0,0043 .

В результате оптимизации параметров эмпирические модели удельных показателей КУСТ имеют вид:

= 0,04311-0,13£>р + 0,053 8#р -2,43с1г -0,25ОрНр +4,17Орс1Т -- 1,67Ярс?г + 0,025£>р + 0,204Я2 + 56,67с/2; (7)

=1,6687 + 0,08*! + 0,0425х2 -0,2075х3 -0,0025х,х3 -0,0025х,х3 + + 0,0025х2х3 + 0,0044х2 + 0,0144х2 - 0,0306х32 . (8)

По математическим моделям (7) и (8) построены поверхности отклика для удельных показателей КУСТ ОГ, представленные на рис. 9 и 10.

Анализ поверхностей отклика, представленных на рис. 9, показывает, что с увеличением диаметра реактора, гранул катализатора и уменьшением высоты реактора энергоемкость средства очистки снижается, что обусловлено снижением коэффициента газодинамического сопротивления катализатора.

Рис. 10. Зависимость качества очистки ОГ от диаметра, высоты реактора и диаметра гранул при:

а~с/г=0- б-Яр = 0; в-о?р = 0

Анализ поверхностей отклика, представленных на рис. 10, показывает, что с уменьшением диаметра гранул катализатора, увеличением диаметра и высоты реактора качество очистки ОГ от токсичных компонентов повышается, что объясняется увеличением активной поверхности катализатора, т.е. количество нейтрализованных вредных веществ в единицу времени возрастает.

В результате экспериментальных исследований установлены оптимальные геометрические параметры КУСТ для дизельных ДВС мощностью 150...220 кВт: диаметр реактора £>р =0,118 м; высота реактора

Нр =0,144 м; диаметр гранул катализатора с1г =0,008 м.

Эксплуатационные испытания КУСТ показали, что при наработке 450 моточасов (18 ООО км) работа устройства становится неэффективной, и для продления эффективной работы устройства необходимо выполнить комплекс операций. Снижение концентрации сажи в ОГ составило в среднем 80%.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка эффективности устройства очистки отработавших газов» представлены усовершенствованная методика расчета экономического эффекта, полученного в результате применения КУСТ; расчет экономической эффективности разработанного устройства и оценка целесообразности его использования.

При определении общего годового экономического эффекта от использования КУСТ было учтено, что его использование приводит как к положительному эффекту в виде снижения токсичности ОГ, так и к отрицательному - в виде повышения расхода топлива за счет увеличения противодавления в системе выпуска, а также изменению затрат на производство и эксплуатацию устройства. Поэтому общий годовой экономический эффект от применения КУСТ ОГ определяется по формуле:

эобщ =ЭД0+ЭН_ЭДР( (9)

где Э^с — экономический эффект, полученный за счет снижения токсичности ОГ, р.; Э" - экономический эффект, полученный за счет изменения затрат на производство и эксплуатацию устройства очистки ОГ, р.; — экономический ущерб, полученный в результате увеличения противодавления в выпускной системе ДВС, р.

Предложено использовать удельную плату для определения выплат за загрязнение окружающей среды, исключив расчет годовых выбросов каждого вредного компонента. Тогда для каждого вида экономического эффекта

Эг=А:,.етУпГнДр.г-10-2, (10)

где к1 - коэффициент, учитывающий ;'-й вид эффекта КУСТ; (5Т - средний массовый расход топлива, кг/ч; Уп - удельная плата за выбросы загрязняющих веществ ОГ, р./т; Тн — время работы транспортного средства в сутки, ч; Др г - количество рабочих дней в году, год-1.

Коэффициент эффективности устройства очистки к3 характеризуется степенью снижения количества загрязняющих веществ ОГ и определяется как отношение разности их количества на входе и выходе КУСТ к количеству загрязняющих веществ ОГ на его входе.

Коэффициент экономического ущерба КУСТ выражается через степень изменения противодавления в выпускной системе и определяется отношением разности давлений ОГ на входе и выходе КУСТ к давлению на его входе.

Для оценки экономической эффективности КУСТ ОГ введен интегральный показатель целесообразности (ИПЦ) и дано его определение.

Интегральный показатель целесообразности внедрения КУСТ загрязняющих веществ ОГ ДВС характеризует экономическую эффективность устройства очистки и показывает соотношение суммарного экономического эффекта (положительных результатов) и суммы ущерба (отрицательных результатов), полученных в результате использования устройства.

ИПЦ = ——^-, (11)

эгДр+зн

где Зн - затраты на производство и содержание устройства очистки ОГ.

В результате общий годовой экономический эффект КУСТ, рассчитанный по формуле (9), составил:

Э°бщ =3513-2910-210 = 393 р.

ДляНОГД-ЗЗр.

Срок окупаемости КУСТ составил 9 месяцев, НОГД- 10 месяцев.

Интегральный показатель целесообразности из формулы (11)

3513

ИПЦКУСТ =-= 1,13.

КУСТ 210 + 2910

Следовательно, использование КУСТ в выпускной системе дизелей для очистки ОГ от токсичных компонентов экономически целесообразно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ существующих способов и средств снижения токсичности ОГ дизельных двигателей показал, что наиболее эффективным средством является комбинированное устройство снижения токсичности ОГ в выпускной системе ДВС, работа которого основана на вторичном дожиге отработавших газов.

Обоснована конструкция КУСТ на основании минимизации коэффициента газодинамического сопротивления, который составил: ^общ = 0,386.

2. В результате теоретических исследований КУСТ получена математическая модель описания газодинамических и физико-химических процессов, протекающих в нем. На основании новых введенных удельных

показателей качества очистки ОГ и энергоемкости средства очистки (qAG = 1,52 %/(кг/ч) и <7д,, = 0,0221 %/(кг/ч)) установлена теоретически

эффективность КУСТ.

3. Экспериментальные исследования КУСТ подтвердили результаты теоретических исследований для дизельных ДВС мощностью 150...220 кВт на нагрузочных режимах и позволили установить его оптимальные геометрические параметры: Dp =0,118 м; Нр = 0,144 м; dv = 0,008 м.

Коэффициент загрязнения сетки определяется не только сравнением ее массы с новой сеткой, но при этом необходимо учитывать условия загрязнения (температуру, скорость ОГ). При испытаниях поправочный коэффициент составил к = 0,868 + 0,0043.

4. Экспериментальные исследования показали, что установка КУСТ на дизельных двигателях мощностью 150.. .220 кВт позволяет получить на выходе устройства: сажу - 0,076; оксиды азота - 1,94; углеводороды -0,25; оксиды углерода (II) - 1,48 г/(кВт-ч), т.е. снизить содержание загрязняющих веществ в ОГ: СО - на 60; СН - на 45; NO, - на 55 и сажи -на 80% и отвечать нормам Евро-5 (СО - 1,5; СН - 0,26; NO, - 2; С -0,08 г/(кВт-ч)). При этом снижается давление ОГ на 2,4%; увеличиваются температура ОГ в среднем на 5,5% и расход топлива на 1,1%.

5. Производственные испытания экспериментального КУСТ подтвердили эффективность его работы. При наработке дизелей мощностью 150...220 кВт, установленных на автомобилях КАМАЗ, МАЗ и тракторах К-701, 500 моточасов содержание сажи в ОГ составило 0,0765 г/(кВт ч), степень снижения дымности ОГ - в среднем 80%.

После наработки 450 моточасов устройство работает неэффективно, поэтому рекомендуется при этом выполнять комплекс операций по восстановлению работоспособности КУСТ.

6. Усовершенствована методика определения экономической эффективности и целесообразности использования КУСТ и других аналогичных устройств. Годовой экономический эффект от установки КУСТ на одном автомобиле составляет 393 р. при окупаемости в 9 месяцев, а установка НОГД приводит к экономии в 33 р. при сроке окупаемости 10 месяцев. ИПЦкУСТ = 1,13, показывает, что применение КУСТ на дизелях мощностью 150.. .220 кВт экономически целесообразно.

7. Комбинированное устройство можно применять на дизелях, используемых в сельском хозяйстве, мощностью 150...220 кВт.

8. В перспективе испытания КУСТ необходимо провести на дизелях большей мощности, на стационарных силовых установках с дизельными двигателями, а также на бензиновых двигателях, используемых как в сельском хозяйстве, так и промышленности.

Возможно повышение ресурса эффективной работы устройства при использовании саморегенерации катализатора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Чернецов, Д.А. Обоснование способа очистки отработавших газов автотракторных дизелей / Д.А. Чернецов, В.П. Капустин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. -Тамбов, 2010. - № 7 - 9(30). - С. 38 - 43.

2. Чернецов, Д.А. Токсичность отработавших газов дизелей и их антропогенное воздействие / Д.А. Чернецов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов, 2010. -№ 10- 12(31).-С. 54-59.

3. Чернецов, Д.А. Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе дизельных двигателей / Д.А. Чернецов, В.П. Капустин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов, 2010.-№ 10- 12(31).-С. 71-74.

4. Чернецов, Д.А. Загрязнение окружающей среды сельскохозяйственной техникой / Д.А. Чернецов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов, 2011. - № 1(32). -С. 23 - 27.

5. Чернецов, Д.А. Анализ процесса образования токсичных компонентов в камере сгорания дизельных двигателей / Д.А. Чернецов, В.П. Капустин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов, 2011. - № 1(32). - С. 54 - 58.

6. Чернецов, Д.А. Оптимизация параметров комбинированного устройства снижения токсичности отработавших газов дизелей / Д.А. Чернецов, В.П. Капустин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2013. -№3.-С. 5-8.

7. Чернецов, Д.А. Экспериментальные исследования, результаты и их анализ нейтрализатора отработавших газов дизельных двигателей сельскохозяйственной техники / Д.А. Чернецов // Вестник МичГАУ. -2013. -№ 1-С. 48-53.

8. Чернецов, Д.А. Методика экономической оценки нейтрализатора отработавших газов дизелей / Д.А. Чернецов, Е.С. Вдовина // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 1. - URL : http://www. science-education.ru/107-8413 (дата обращения: 21.02.2013).

В сборниках научных трудов и материалах конференций:

9. Чернецов, Д.А. Влияние евротоплива на мобильную технику отечественного производства / Д.А. Чернецов, В.П. Капустин, Д.В. Доров-ских // Наука на рубеже тысячелетий : материалы 6-й Междунар. науч.-практ. конф. - Тамбов : Изд-во ТАМБОВПРИНТ, 2009. - С. 88-89.

10. Чернецов, Д.А. Влияние эксплуатационных факторов дизельных ДВС на токсичность отработавших газов / Д.А. Чернецов, В.П. Капустин // Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства : XVI Междунар. науч.-практ. конф. : сб. науч. тр. - Тамбов : Изд-во Першина Р.В., 2011. -С. 312-315.

11. Чернецов, Д.А. Комбинированное устройство снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей / Д.А. Чернецов, В.П. Капустин // Наука в центральной России. - Тамбов : ГНУ ВНИИТиН Россель-хозакадемии, 2013. — С. 22 — 25.

12. Чернецов, Д.А. Определение коэффициента загрязнения металлической сетки в нейтрализаторах отработавших газов двигателей / Д.А. Чернецов // Наука в центральной России. - Тамбов : ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, 2013. - С. 29 - 32.

13. Чернецов Д.А. Эффективность работы комбинированного нейтрализатора отработавших газов дизельного двигателя / Д.А. Чернецов, В.П. Капустин // Наука в центральной России. - Тамбов : ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии, 2013. - С. 25 - 28.

Патентные документы:

14. Пат. 2459091 Российская Федерация, МПК F 01 N 3/02. Комбинированное устройство снижения токсичности отработавших газов дизеля [Текст] / Чернецов Д.А., Капустин В.П., Гончаров A.B. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. - № 2010143617/06 ; заявл. 25.10.2010 ; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23. - 8 с.

Подписано в печать 07.06.2013 Формат 60 х 84/16. 1,39 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 307

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТТТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201360714

Чернецов Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА

СНИЖЕНИЯ

ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В

СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Капустин Василий Петрович

Тамбов 2013

РЕФЕРАТ

Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 28 таблиц, 130 литературных источников и 17 приложений.

Ключевые слова: сельское хозяйство, эффективность работы, снижение токсичности, отработавшие газы, дизельные двигатели, качество очистки, энергоёмкость.

Цель работы. Снижение токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей, используемых в сельском хозяйстве.

Объект исследований: процессы очистки отработавших газов от токсичных компонентов и устройство, её обеспечивающее.

Предмет исследований: установление зависимостей топливно-экономических показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и токсичности ОГ от мощности и режимов работы ДВС при использовании устройства очистки.

В результате теоретического и экспериментального анализа определены зависимости удельных показателей эффективности работы комбинированного устройства снижения токсичности (КУСТ) отработавших газов от геометрических параметров реактора и гранул катализатора, исследована и установлена его эффективность.

Обоснованы геометрические параметры устройства, обеспечивающие максимальную эффективность его работы. Установлена экономическая эффективность и целесообразность применения комбинированного устройства снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................7

1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ.....................................................................................................12

1Л Состав отработавших газов и токсичность их компонентов................12

1.2 Влияние сельскохозяйственной техники на окружающую среду.......16

1.3 Анализ процесса образования токсичных компонентов в

камере сгорания дизельных двигателей.................................................................21

1.4 Способы и средства снижения токсичности отработавших

газов двигателей........................................................................................................25

1.5 Выводы. Цель и задачи исследования....................................................43

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ОТ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ......................................46

2.1 Анализ теоретических исследований очистки отработавших

газов дизелей..............................................................................................................46

2.2 Описание комбинированного устройства снижения токсичности отработавших газов дизеля......................................................................................49

2.3 Анализ химических реакций, протекающих в КУСТ...........................52

2.4 Газодинамические процессы, протекающие в КУСТ ..........................55

2.4.1 Обоснование геометрических параметров входной части

КУСТ..........................................................................................................................55

2.4.2 Обоснование геометрических параметров выходной

части устройства........................................................................................................59

2.4.3 Разработка и обоснование зоны засыпки катализатора.....................60

2.4.4 Обоснование геометрических параметров Г-образного

патрубка ................................................................................................................64

2.4.5 Расчёт газодинамического сопротивления эжекторного сопла........66

2.4.6 Общее газодинамическое сопротивление КУСТ...............................67

2.5 Математическая модель описания процессов, протекающих

в устройстве снижения токсичности.......................................................................68

2.6 Выводы.......................................................................................................73

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................................74

3.1 Программа экспериментальных исследований......................................74

3.2 Методика проведения стендовых исследовании...................................74

3.2.1 Подготовка оборудования для проведения экспериментальных исследований.............................................................................................................78

3.2.2 Определение мощности ДВС................................................................78

3.2.3 Замер дымности отработавших газов..................................................79

3.2.4 Определение концентраций токсичных компонентов.......................81

3.2.5 Измерение часового расхода топлива..................................................83

3.2.6 Измерение давления отработавших газов...........................................85

3.2.7 Измерение температуры отработавших газов.....................................87

3.2.8 Определение коэффициента загрязнения сетки.................................88

3.3 Методика эксплуатационных испытаний...............................................90

3.4 Обработка экспериментальных данных ................................................93

3.5 Оптимизация параметров КУСТ.............................................................98

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ИХ АНАЛИЗ........................................................................................................102

4.1 Результаты стендовых исследовании...................................................102

4.2 Результаты оптимизации параметров КУСТ и их анализ...................110

4.3 Анализ результатов эксплуатационных испытаний............................121

4.4 Выводы.....................................................................................................123

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВА ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ....................................125

5.1 Методика расчёта экономического эффекта устройства очистки.....125

5.2 Оценка экономической эффективности устройства очистки.............136

5.3 Выводы.....................................................................................................137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................141

Приложение А. Патент на изобретение......................................................155

Приложение Б. Таблица Б1 - Техническая характеристика

автомобиля KAMA3-53212..................................................................................... 157

Приложение Б. Таблица Б2 - Техническая харатеристика

двигателя КАМАЗ-740............................................................................................ 158

Приложение В. Порядок регулировки ТНВД............................................160

Приложение Г. Таблица Г1 - Соотношение единиц измерения

дымности и концентрации сажи............................................................................161

Приложение Д. Таблица Д1 - Результаты экспериментальных

исследований...........................................................................................................162

Приложение Е. Таблица El - Физические параметры отработавших

газов при нормальных атмосферных условиях....................................................163

Приложение Ж. Таблица Ж1 - Результаты исследования

металлической сетки...............................................................................................164

Приложение И. Акт об использовании результатов кандидатской

диссертационной работы в ГНУ ВНИИТиН........................................................165

Приложение К. Диагностическая карта......................................................166

Приложение Л. Акт проведения экспериментальных исследований КУСТ отработавших газов, установленного на автомобиле

KAMA3-53212 в ООО «Тамбовтехцентр»............................................................168

Приложение М. Акт внедрения в учебный процесс

ФГБОУ ВПО ТГТУ результатов диссертационного исследования...................169

Приложение Н. Акт о проведении эксплуатационных испытаний

КУСТ в ЗАО агрофирма «Свобода»......................................................................170

Приложение П. Акт внедрения результатов исследования в

ЗАО агрофирма «Свобода»....................................................................................171

Приложение Р. Акт о проведении эксплуатационных испытаний КУСТ в ООО «СтройСнаб»...................................................................................172

Приложение С. Акт внедрения результатов исследования в

ООО «СтройСнаб»..................................................................................................173

Приложение Т. Акт о проведении эксплуатационных испытаний

КУСТ в ООО «Еврострой-СД»..............................................................................174

Приложение У. Акт внедрения результатов исследования в ООО «Еврострой-СД»............................................................................................175

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В сельском хозяйстве нашли широкое применение дизельные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), вместе с тем при работе они выбрасывают в атмосферу большое количество вредных газообразных веществ, которые отрицательно влияют на здоровье людей, приводят к снижению урожайности и продуктивности животных.

В настоящее время введены более жёсткие ограничения на допустимую концентрацию в отработавших газах (ОГ) оксидов азота Ж)х и сажи.

Решением Правительства от 20.01.2012 г. №2 установлены следующие нормы концентрации вредных веществ в отработавших газах дизельных ДВС: СО - 1,5 г/кВтч, СН - 0,26 г/кВт-ч, N0* - 2,00 г/кВт-ч, С - 0,08 г/кВт-ч.

Ужесточение норм на токсичность обуславливает необходимость разработки новых и улучшение существующих способов и средств очистки отработавших газов дизельных ДВС, обладающих высокой степенью очистки и большим сроком службы, а также минимальным воздействием на топливно-экономические показатели двигателей.

Предлагается гипотеза, что очищать ОГ от загрязняющих веществ можно комбинированным устройством снижения токсичности, включающим несколько ступеней очистки, с минимальным воздействием на топливно-экономические показатели ДВС. Разработка устройства для снижения токсичности ОГ при эксплуатации дизельных ДВС является одной из важнейших задач, выполнение которой имеет существенное значение для сельского хозяйства страны.

Степень разработанности темы. Для снижения токсичности ОГ дизельных ДВС используются следующие способы: изменение конструкции ДВС; применение альтернативных видов топлива; улучшение качества топлива; оптимизация режимов работы ДВС; поддержание технически исправного состояния транспортных средств (ТС); очистка ОГ в выпускной системе двигателя. Однако использование разработанных средств очистки ОГ на основе существующих

способов недостаточно эффективно: низкая степень очистки; высокая стоимость; небольшой срок службы; металлоёмкие.

Исследования проведены в соответствии с долгосрочной городской целевой программой «Экология и природные ресурсы города Кирсанова Тамбовской области на 2010-2015 годы» от 11.10.2009 г. №1399 для обеспечения экологического благополучия и экологической безопасности населения города Кирсанова, рационального использования природных ресурсов, снижения негативного влияния экологического фактора на здоровье населения, предотвращения загрязнения и восстановления природных комплексов, сохранения качества окружающей среды, и стратегией машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года.

Цель исследований. Снижение токсичности отработавших газов дизелей, используемых в сельском хозяйстве.

Задачи исследований:

- разработать и обосновать конструктивно-технологическую схему комбинированного устройства для очистки отработавших газов дизелей;

- разработать математическую модель описания процессов, протекающих в устройстве при очистке отработавших газов;

- провести экспериментальные исследования и определить зависимости удельных показателей эффективности устройства;

- провести испытания устройства очистки отработавших газов в производственных условиях;

- провести оценку экономической эффективности устройства снижения токсичности и установить целесообразность его применения.

Объект исследований: процессы очистки отработавших газов от токсичных компонентов и устройство их обеспечивающее.

Предмет исследований: установление зависимостей топливно-экономических показателей ДВС, токсичности ОГ от мощности и режимов работы ДВС при использовании устройства очистки.

Научная новизна диссертационного исследования:

- классификация способов и средств снижения токсичности отработавших газов дизелей;

- конструктивно-технологическая схема устройства очистки отработавших газов дизелей;

- математическая модель процессов, протекающих в устройстве при очистке отработавших газов;

- зависимость коэффициента загрязнения металлической сетки от её массы;

- усовершенствованная методика расчёта экономической эффективности устройства снижения токсичности отработавших газов дизелей.

Практическая значимость. Использование комбинированного устройства снижения токсичности ОГ дизельных двигателей мощностью 150-220 кВт позволяет снизить вредные выбросы: сажи - на 80%, СО - на 60%, Ж)х - на 55%, СН - на 45%.

Новизна конструкции разработанного средства очистки подтверждена патентом РФ №2459091.

Результаты диссертационных исследований могут быть использованы предприятиями агропромышленного и автотранспортного комплексов, эксплуатирующими мобильную технику с дизельными двигателями, научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке средств снижения токсичности ОГ дизельных ДВС, а также в учебном процессе вузов.

Методика исследований. В теоретических исследованиях использовались законы газовой динамики и физико-химических процессов. Экспериментальные исследования проводились на основе общих и частных методиках испытания ДВС на топливную экономичность, дымностъ и токсичность. При этом использовались современные способы измерений и приборы, обработка экспериментальных данных проводилась методом математической статистики.

Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:

- классификация способов и средств снижения токсичности отработавших

газов дизелей;

- конструктивно-технологическая схема устройства очистки отработавших газов дизелей;

- математическая модель газодинамических и физико-химических процессов, протекающих в устройстве снижения токсичности отработавших газов;

- зависимости критериев эффективности устройства очистки отработавших газов дизелей от мощности и режимов работы двигателя;

- усовершенствованная методика расчёта экономической эффективности средств снижения токсичности отработавших газов дизелей.

- зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований и эксплуатационных испытаний устройства очистки отработавших газов дизелей.

Достоверность результатов подтверждается использованием современных методик и оборудования, достаточным количеством экспериментов, соответствием экспериментальных данных теоретическим результатам исследований, результатами внедрения КУСТ в производство, публикацией результатов в ведущих журналах, одобрением докладов, представленных на международных и региональных конференциях.

Реализация результатов исследования. Экспериментальное средство снижения токсичности ОГ дизелей, установленное на тракторах К-701Р и автомобилях МАЗ, КАМАЗ, прошли производственную проверку и приняты к внедрению в ряде предприятий: ЗАО агрофирма «Свобода» Тамбовской области, ООО «СтройСнаб» и ООО «Еврострой-СД» города Москвы; аналитические и экспериментальные результаты исследований используются в учебном процессе ТГТУ по направлениям 110300 «Агроинженерия» и 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены и одобрены: на заседаниях кафедры «Автомобильная и аграрная техника» ТГТУ в 2008-2012 гг.; на международных научно-практических конференциях ГНУ ВНИИТиН 2011, 2012 и 2013 гг.; на 6-й меж-

дународной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (г. Тамбов, 2009).

Публикация результатов исследований. По результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе 8 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение. Общий объём публикаций составляет 4,34 п.л., из них автору принадлежит 2,9 п.л.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка, 28 таблиц, список литературы из 130 наименований, в том числе 10 на иностранных языках, 17 приложений.

1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ

ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ

1.1 Состав отработавших газов и токсичность их компонентов Отработавшие газы ДВС представляют собой сложную смесь газов, паров, жидкостей и твердых частиц. Смесь состоит из более 1000 химических образований (соединений) [1-3].

Состав ОГ бензинового ДВС и дизеля представлен в таблице 1.1 [2-5].

Таблица 1.1 - Состав отработавших газов ДВС

Компонент Содержание, %

Бензиновый ДВС Дизельный ДВС

N2 74... 77 76...78

о2 0,3...5 2...8

С02 5...12 1...10

СО 1...5 0,01... 0,50

N0, 0...0,8 0,001... 0,400

СН 0,2...3,0 0,01...0,10

Альдегиды 0...0,2 0... 0,002

Пары воды 3...5,5 0,5...4,0

Из таблицы 1.1 видно, что бензиновые двигатели по содержанию токсичных компонентов более �