автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка устройства для снижения токсичности выхлопных газов подземных дизельных автопоездов

Р Г 6 од

' Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи ЖАЛГАСБЕКОВ Абзал Зарубаевич

УДК 621.436.002.637. (430)

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ПОДЗЕМНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ АВТОПОЕЗДОВ

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в .Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научный руководитель канд. техн. наук, проф. ДЬЯКОВ В. А.

1 ' Официальные оппоненты:

докт. техн. наук, проф. КУЛЕШОВ А. А., канд. техн. наук МАДИЕВ М. М.

Ведущее предприятие — НПО «Жезказганцветмет».

Защита диссертации состоится « ДА. » ^М^УЦ^ 1993 г.

в час. на заседании специализированного совета К-053.12.03 з Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6>.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского горного института.

Автореферат разослан « М . » 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

доц., к. т. н. ШЕШКО Е. Е.

овуш ХАРЛКТЕИЮТЖА РАБОТЬ

Актуальность том. Повышение производительности труда при подземном способе разработки месторождений крепких и средней крепости руд возможно благодаря использованию самоходных транспортных калин.

Использование дизельного транспорта на зарубежных вахтах и рудниках-, где ранее применялись машины с электрическим приводом, позволила значительно интенсифицировать проведение очистных работ, сократить численность рабочих и эксплуатационных участков, упростить общую организация работ.

При внедрении самоходного оборудования на отечественных рудниках производительность труда забойных рабочих на очистных работах увеличилась в 1,5-2,5 раза, при проведении выработок - в 3-4 раза, сократился объем подготовительно-нарезных работ в расчете на 1000 т добытой руды,снизился по сравнении со скреперной доставкой в 1,5-2 раза, в 2-3 раза повысилась энерговооруженность труда, себестоимость руды снизилась на 10-25$ / 24 /.

Крупномасштабное применение самоходного безрельсового оборудования осуществлено на рудниках НПО "ЯезказганцЕетиет", где внедрен целый комплекс высокопроизводительных машин с дизельный приводом, что позволило резко повысить производительность труда подземных рабочих.

Отечественные самоходже транспортные машины оснащаются дизельными двигателями общепромышленного назначения, дефсрсирован-ными по оборотам коленчатого вала и снабкенныци двухступенчатой системой нейтрализации отрэботагших газов.

Работа нейтрализаторов зависит от температуры отработавших газов. Tait, при снижении температуры от 300 до 250°С эффективность очистки платиновым катализатором снижается ст 90 до 4/ 39 /. Обеспечить тепловой режим,необходимый для окисления СО, можно только при пвикении автомобиля с грузом, что в сумме составляет около 31$ от общего времени цикла. Остальное время каталитический нейтрализатор не работает. В жидкостном иейтрализаторе с увеличением температуры отработавшие газов повышается расход жидкости на испарение и уменьшается поглотительная способность раст--вора. Использование системы двухступенчатой нейтрализации приводит к снижения топливной экономичности и мощности на 3-55?.

Кроме того, нейтрализация токсичных компонентов отработавших

газов представляет со^ой процесс предотвращения негативных последствий сгорания углеводородного топлива, в то время как существуют методы, позьо 1я»[дие шшять иа процесс сгорания.

Увеличение проиоаэдительности и энерговооруженности труда сопровождается ростов парка, грузоподъемности и типажа транс портных и вспомогательных машин. Недостаточная эффективность мероприятий по снижению токсичности требует увзличения производительности вентиляциоюж установок, что не всегда возможно при существующих- условиях горнодобывающего предприятия.

Поэтому актуальными являются исследовачия, позволяющие по возможности малыми затратами снизить токсичность отработавших газов дизелей.

Целью работы является на основе теоретических и экспериментальных исследований обосновать рациональный способ снижения токсичности отработавших газов (ОГ) дизеле¡1 подземного назначения для повдпения эффективности самоходных транспортных машин.

Идея работы заключается в использовании подачи ионизирований паровоздушной сшси на впуско дизеля подземного назначения.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна:

- многофакторный анализ способов снижения токсичности отработавших газов дизелей подземного назначения показал, что по критерии минимума суммарного выброса токсичных веществ и критерию экономичности наиболее рациональным является способ, основанный на подаче иониьированной паровоздушной смеси на впуске дизеля;

- математическая ырель рабочего процесса дизеля с учетом подачи и диссоциации вода, повышения температуры на впуске, а также эмиссии окислов азота, позволяет определить индикаторные и э&фектмзные показатели рабочего процесса дизеля с точностью

- по результатам ояьчгов при использовании центрального рото-табельного униформ-план/рованил второго порядил установлена экспериментальная зависимость показателя общей тохсичности О]1 от напрлжс-ния ионизации и количества пара на всех скоростных и нагрузочных режимах работы дизеля с подачей ионизированной ппрс-во?д;'Шной смоси на рпускэ дизеля.

Обосногтнность и постовеьноо.ть научных по.■ ожений, в: к.йНОЛЛ

рекомендапий работ! подтверждены стендовыми исследованиями дизеля с подачей ионизированной паровоздушной смесч на впуске, расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает Ъ%.

Научное значение роботы состоит в разработке математической модели рабочего процесса дизеля с учетом помочи и диссоциации воды, повышения температуры на впуске, а также .эмиссии окислов азота и в установлении зависимости общей токсичности от основных показателей работы дизеля с подачей ионизированной паровоздушной смеси на впуске.

Практическое значение работы заключается в разработке конструкции устройства для подачи ионизированной паровоздушной смеси * на впускэ дизеля, которое позволяет снизить выброс окислов азота на 46$, окисла углерода - на Ъ%, сади - на 37%, повысить мощность на 4% и улучшить топливную экономичность на 3$.

Реализация выводов и рекомендаций работы.Разработанное устройство снижения токсичности отработавших газов двигателя внутреннего сгорания принято для использования при эксплуатации самоходных транспортных машин в шахте № 67 НПО "Жезкаэганцветмет".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании технического совета НПО "Незказгакцветмет" в 1990 и 1993 гг., региональной научно-методологической конференции Джамбулского управления Союза НИО СССР, г. Каратау, 1991 г., республиканской научно-практической конференции Казахского республиканского правления НИО цветной металлургии, г.Шезказган, 1992 г.

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликованы три работа.

Объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых истопников из 92 наименований и содержит 140 страниц текста, 23 рисунков, 4 таблицы.

Автор выранает глубокую благодарность заведующему лабораторией "Проблем СНОГ ДВС" НПО "йезказганцветмет" Еукову Геннадия Ивановичу, оказавшему содействие в руководстве, организации и проведении исследований и обсуждении их результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Рост парка и производительности самоходного оборудования ведет к увеличению выброса отработавших газов, для разбавления кото-

рьгх необходимо увеличить подачу вентиляционного воздуха в подзем-нпе выработки. Расход воздуха мояно представить з виде произведения скорости воздуха на площадь поперечного сечения :

С! - V, ^ .

Скорость воздуха ограничивается определенными пределаин, поэ-току для увеличения подачи воздуха требуется увеличение площади поперечного сечения выработки, что влечет зп собой значительное повышение затрат на проведение выработок, поэтому интенсификация вентиляции иызет технический и экономическая пределы.

Предельно допусти»:ая концентрация токсически;: компонентов постоянно ужесточается. Вследствие этого снижение концентрации вредных веществ являете« наиболее перспективны направлением для дальнейшего повышения производительности самоходного оборудования в подзеиных условиях.

На осноЕе вышеизложенного и в соответствии с поставленной целью в работе решены следующие основные задачи:

- выполнен обзор способов снижения токсичности отработанна: газов дизелей подзешого назначения;

- разработан оптимальный способ снижения токсичности отработавших гвзов;

- проведен теоретический анализ выбранного способа снижения токсичности отработавших газов дизелей;

- разработана математическая модель рабочего процесса и эмиссии окислов азота диззля с подачей ионизированной паровоздушной снеси на впуске;

- на основе методики планирования ыногофакторных экспериментов разработан план исследования дизеля с подачей ионизированной паровоздушной сыеск;

- исследована эффективность разработанного устройства на пол-норазнерпой дизеле.

На основе анализа вредного влияния выхлопа дизеля установлено, что основными токсичными компонентами отработавших газов являются 'л порядке значимости^ НО^ , сажа, СО, и алт-пегиды.

п '

/ля ешкеыш их коны'ктрации предусматривался различимо мероприятия: изменение угла г переженил впрыска топлива; рециркуляция отработавакх газов; применение присадок к тошпту; нейтрализация отрпбо^авенх газов; охлажг.ение СЕСжего захжла; предварительное

насыщение топлива'лоздухом; дросселирование на впуске; присадка вода к рабочей cut си.

Многофакторны1-. анализ этих иер показал (табл.1), что наиболее» гроетыи и эффективным способом снижения токсичности является присадка воды к рабочей смеси.

Таблица I

Сравнительная таблица способов снижения токсичности отработавших гасов

Способы снижения токсичности' Показатели, % по объему

, СО , "КОх . сажа .токсичнос

I. Изменение угла опережения впрыска топлива / I q ч 'Сопт/ + 15 -60+70 + 5 -30+36

2. Рециркуляция отработавших газов {SO + 35% ОГ) +200 -50+60 +300+ 600 +100 + 235

3. Антидьгмняе присадки -30+90 -13+40

4. Нейтрализаторы отработавших газов

4.1. Щелочные поглотители -5+10 -10+15 -50+60 -26+34

4.2. Платиновые - 90

5. Охлалщение впускного воздуха _ - 20 - - II

6. Рециркуляция охлажденных отработавшие газов + 15 - 65 + 10 - 31

7. Предварительное насыщение топлива воздухом - 25 +10-15 - 80 -30+27

8. Присадка паров водного раствора солей благород. металлов - 30 -36+90 -51'+90 -42+90

9; Присадка веды

9.1; ВТЭ - 50 -30+60 - 75 -50+67

9.2.. На впуске + 5 - 50 - 50 - 49

Удельное содержание вреди.-х веществ в обработавших газах, с». 0,2 0,25 По 0,25 33,95 по СО

Коэффициент приведения, Т^ I 75 -0

с;

Существует три основных способа присадки вода к рабочей смеси: в виде водотоплгвной эмульсии, впрыском воды непосредственно в цилицпры, или во впускной трубопровод.

Исследования О.А.1'ладкова и Е.Ю.Дермаяа нг. двигателе I Ш 16/20 с использование!! в качестве топлива 40%-ой водотопливнэй эцульсии (ВТЭ) показали, что доля кислорода ВТЭ, участвонавшах« в окислении углеводородов топлива, составила 60$. При содержании воды 45-50$ удается обеспечить снижение СО в 5-8 раз, сеж;' - более чем в Ю-раз, НО, - в 3-5 раз, эффективный расход топлива снижается на 15-18 г/(Шт»ч).

Следовательно, раг.номерно распределенные по цилиндрам продукты диссоциации воды способствуют более полному сгоранш углеводородного топлива и препятствуют образованию окислов азота.

Присадка воды к воздуху на впуске дизеля предпочтительнее первого способа, так как в этом случае ест.'- возможность регулировать количество подаваемой воды в зависимости от режима работы; отключать при пуске подачу; отпадает необходимость в дополнительном оборудовании для приготовления ВТЭ.

Равномерность распределения воды обеспечивается, как правило, установкой отдельной форсунки на каждый цилиндр. Но сравнительные исследования Конева А.Ф, показали, что более эффективным способом подачи по улучшению технико-экологических показателей, простоте конструкции является подача воды во впускной трубопровод.

По данным Лютера и Абтхофа,инжекция воды во впускной трубопровод дизеля с пленочным смесеобразованием позволяет снизить концентрацию Ш)* в 2 раза и более в зависимости от количества подаваемой воды.

Вышеизложенные данные позволяют сделать вывод о целесообразности применения добавки воды на впуске дизелей подземного назначения. Для оценки достоинств и недостатков устройств подачи воды на ьпуске дизеля проведен гас обзор и анализ, который позволил разработать устройство для подачи ионизированной пяровоздушой снеси.

Разработанное устройство позволяет упростить конструкгию, поьысшть точность дозирования подачи воды, улучлитъ дозирование воды, ионизировать воздух и воду. Вследствие чего снижаются расход топлива и токсичность отработавших газов двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что к электродам пода-

ется напряжение постоянного тока, положительный электрод выполнен е виде цилиндр!- на внутренней поверхности диэлектрического патрубка во впускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания, отрищтельным электродом является распылитель воды, выполненный в видз вогнутой трубкл, сопло которой соосно о впускным трубопроводов и г.жодит в геометрический центр положительного электрода,. Электроды создают "электрический диффузор". Кроме того, в магистрали подачи веды размещен насос с электроприводом машины постоянного тока, снабженный системой автоматического регулирования, обеспечивала^ точное дозирование воды на любом режиме двигаиля внутреннего сгорания.

На рисунке I изображена схема предлагаемого устройства.

Во впускном трубопроводе I двигателя внутреннего сгорания размещена камера 2 из диэлектрического материала, в которой расположены положительный электрод 3 и распылитель 4, являющийся отрицательным электродом. Источник питания 5 обеспечивает внеокое напряжение постоянного тока на электродах 3 и 4. Распылитель 4 связан с баком б через паропровод 7, испаритель 8 и водопровод 9, имеющий фильтр 10, перепускной трубопровод II с предохранительным клапаном 12. Водопровод оснащен также насосом 13 с электроприводом машины постоянного тока 14, снабженной системой автоматического регулирования 15 о термическим выключателем 16 на паропроводе 7. Испаритель 8 выполнен в виде змеевика о внутренней цилиндрической поверхностью для возможности размещения вокруг трубопровода 17 выпуска отработавших газов.

Устройство работает следующим образом.

.Запускается двигатель внутреннего сгорания /не показан/. Поо-ле нагрева трубопровода 17 отработавших газов термический выключатель 16 включает систему автоматического регулкроваяия 15. Питание подается к машине постоянного тока 14, которая приводит в действие насос 13. Насос педеет воду из бака б чэрез фильтр 10 в водопровод У и испаритель В, где вода перегревается и через паропровод 7 и распылитель 4 подается в камеру 2. Под действием сильного электрического поля отрицательно заряженные частицы воды устремляются к периферии, к положительному электроду 3 и, смешавшись с ионизированным воздухом, через впускной трубопровод I двигателя внутрзняего сгорания поступает з цилиндры в виде ионизированной мелкодисперсной паровоздушной смеси. Если давление в ведо-

f-:. г

проводе 9 превышает допустимое значение, открывается перепускной клапан 12 и вода по перепускному трубопроводу II поступает в бак 6.

Простота предлагаемого устройства сочетается с его универсальностью. Ионизирующая камера, кроме своей основной функции ионизации частщ воды и воздуха, выполняет роль электрического диффузора, способствуя очень сильной диссоциации частиц воды под действием высокого напряж&ния постоянного тока, что в свою очередь приводит к равномерности распределения вода по цилиндрам двигателя внутреннего сгорания. Точное дозирование воды в зависимости от режима работы двигателя внутреннего сгорания обеспечивается насосом с электроприводом постоянного тока, снабженным, системой автоматического регулирования.

В теоретической части диссертации разработана иатематичес-' кая модель рабочего процесса дизеля о подачей ионизированной паровоздушной смеси на впуске.

Расчет рабочего цикла дизеля произведен методом Грияевецко-го-Мазинга. Коэффициент избытка воздуха с*£ при подаче ионизированной паровоздушной смеси на впуске корректировался отношением плотности воздуха при подаче ионизированной паровоздушной смеси ^р^. к плотности воздуха при стандартной температуре

о^-о^рч/р.

Суммарное количество воды в свежем заряде учитывалось коэффициентом

где Суг/1этI- коэффициент добавки воды;

с!0 - влагосодержанке воздуха. Тогда коэффициент избытка сухого воз/уха Судет равен

а действительное количество молей свежего заряда

II. ¿ле прзобрязовагий дкрмул а учетом подачи паровоздушной смеси I л впуске дизеля погу;;ны следующие зависимости: юэффщ ,1ент наполнения

1 СсА-Л^ То

с- Г Vе В - Р: ) • •

температура в конце впуска 4 иг)

число молей в т^чке "с" индикаторной диаграммы (в конце впуска)

м.-ог'Ц.О+Хг-О;

коэффициенты молекулярного изменения: теоретический , дейст-

вительный ^Ьъ и действительный в точке п %, " (в конце

сгорания)!

•

К '

V .

1 Тъл V

количество молей газов в точке " 2. "

Н.-^ег'Щ^!!«) ;.

состав смеси газов в точке "с": "чистые" продукты сгорания

воздух , (

сЛо ^гЛ^ ' МЬо ,

пары воды

состав смеси в точке " ":

стехиометрический состав продуктов сгорания

избыточный воздух пары воды

Уравнение сгорания с учетом диссоциации молекул углекислого газа СО^ и воды Н^О и тепловых эффектов , равных 66200 ккал/ кмоль для СО2 и 58500 ккал/'кмоль дляН^О, будет иметь вид:

где и - доли разложения молей Н^О и СО^ или степени

диссоциации молекул.

Степень диссоциации определялась по формуле.

__

Где К - константа равновесия;

Р - парциальное давление, МПа. Для решения математической модели разработан алгоритм и составлена программа на языке "Бейсик".

Стендовые исследования проводились на полноразмерном дизеле Д-240. Экспериментальный стенд для проведения исследований автомобиль нглх двигателей согласно ГОСТ 14846-69 "Двигатели автомобильные. Методы стендовых чсследсвани}." был оборудован необходимыми приборами для задания и контроля реждаа. работы дизеля с подачей ионизированной паровоздушной смеси не впуске. Дизель нагружался гидротормозом тгла ГГ-1355. Снятие характеристик проводилось в соответствии с ГОСТ 1г.'5СУ-4Ю.

На основе метода математического планирования экспериментов

С.0,%*.

Рис. 2. Влияние подачи ионизированной паровоздушной смесп на токсические показателя дгзеяя

разработан план исследования дизеля с подачей ионизированной паровоздушной сиеси на впуске, позволивший получить зависимость общей токсичности СО от четырех основных факторов: эффективного давления Р0 , коэффициента подачи воды , напряжения ионизации 1Д и частоты вращения коленчатого вала ГУ. :

- Д Р02 + «.М^уТ ^ V

+ 132 Рв-0,035 П-4?, 32^+ +

Для исследования влияния подачи пароь-оздушной снеси в цилиндры дизеля подземного назначения на различных скоростных и нагрузочных режимах были определены оптимальные часовые расходы дизельного топлива по регулировочным характеристикам на исследуемых скоростных режимах работы. Затем были проведены исследования в соответствии с рототабельным композиционным аланом эксперимента. Потом были сняты характеристики при оптимальных расходах топлива и напряжении ионизации в функции от коэффициента расхода воды.

На рис.2 показано влияние подачи ионизированной паровоздушной сиеси на токсические показатели дизеля; средние значения несовпадения теоретических и экспериментальных данных составляет

Исследования показали, что подача ионизированной паровоздушной смеси на впуске дизеля повышает мощностные и топливно-эконо-мические показатели, снижает токсичность выбросов: мощность повышается на топливная экономичность улучшается на 3%, выброс окислов азота снижается на 460», окисла углерода - на Ъ%, сажи -на 21%. Годовой экономический эффект составит 75 тыс.руб. на один автомобиль !.!оАЗ-7405-9586 по ценам на начало 1992 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение на,гчной задачи по снижению токсичности дизельного привода и повышению эффективности р?-'оты самоходных транспортных метин д подземных рудниках.

Экспериментальные и теоретические исследования позволили сделать следующие выводи:

I. Многообразие горио-геплогических условий при разработке рудных ¡.-сторождений создает предпосылки для создания различных тилораэм .ров самоходного оборудования с дизельным приводом. В

настоящее время отечественная промышленность не выпускает специальных дизелей подземного назначения, поэтому снижение концентрации токсичных компонентов в рудннчиой атмосфере при увеличении парка подземных машин достигается дополнительной вентиляцией и обязательным использованием двухступенчатой нейтрализации отработавших газов.

2. Вентиляция горных выработок имеет экономические^ технические пределы, поэтому более приемлемым условием повышения производительности дизельного самоходного оборудования является снижение концентраций основных тонических составляющих (в порядке сндаения вредности4: окислов а^ота, сажи и угарного геза.

3. На основе многсЛакторного анализа способов и устройств снижения токсичности отработавших газов дизелей был выбран способ и разработано устройство для добавки ионизированной паровоздушной смеси на впуоке, позволившее повысить мощность на 4%, улучшить топливную экономичность на 3%, снизить выброс окислов азота на 46$, окисла углерода - на сачсн - на 27%.

4. Математическая модель рабочего процесса дизеля с подачей ионизированной паровоздушной смеси на впуске позволяет определить эффективные показатели и эмиссию окислов азота со средним несовпадением теоретических и экспериментальных данных

5. Методика планирования исследований работы дизеля с подачей ионизированной паровоздушной смеси на впуске в стендовых условиях позволяет провести их с минимнизатрат и определить зависимость эффективных и токсических показателей от количества и качества ионизированной паровоздушной смеси нр всех режимах работы дизеля.

6. Полученные экспериментальные зависимости позволяют определить оптимальные режимы работы дизеля с подачей ионизированной паровоздушной смеси на впуске.

7. Внедрение результатов исследований позволят получить расчетный экономический эффект 75 тыс.рублей не один самосвальный автопоезд в ценах начала 1992 года.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

I. Дьяков В.А., Налгасбеков А.З. Повышение эффективности самоходного оборудования при подземной разработке рудных место-

рождений. - Региональная научно-методическая конференция: "Проблемы подготовки специалистов и развитие научных исследований на переходном этапе к рыночным отношениям". - Яаратау, 1991.

2. Дьяков З.А., Жалгасбекоз А.З. Снижение токсичности дизельных двигателей подзеиного самоходного оборудования. - Республиканская научно-практическая конференция' "Повышение эффективности обучения в высшей школе". - Я.езкаэган, 1992.

3. йалгасбеков А.З. Устройство для присадки воды к топливо-воздушной снеси двигателя внутреннего сгорания. Положительное решение патентной экспертизы по заявке № 5045021/06/017908, НИИП1Э, 1993.