автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение токсичности отработавших газов дизелей воздействием на кинетические параметры воспламенения и сгорания

министерство науки. высшей школы и технической политики российской федерации.

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯбРЬСКОИ РЕВОЛЩШ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИ* УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н. Э. БАУМАНА.

На правах рукописи УДК 621.436.068.4:62-634.2.001.5 Р Е Д А НАДЕР Ф А Р И Д

СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕИ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И СГОРАНИЯ.

(специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели)

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание учэяой степени кандидата технических наук

МОСКВА 19 9 2

Работа выполнена в лаборатория " Работав процессы я характеристики ДВС" инженерного факультета Россивского Университета Дружбы Народов.

Научный руководитель - Кандидат технических наук, доцент «омяв В.И.

Официальные оппоненты - Доктор технических наук,

профессор Пчелкин D.M.

- Кандидат технических наук Пономарев Е.Г.

Ведущее предприятие - Центральны! научно-ясследовательскн® автомобильный и автомоторные институт (НАМИ).

защита диссертации состоятся " 15_" февраля 1993 г. в часов на заседания Специализированного Совета К 063.15.06. при МГТУ хм. Н.Э. Баумана ю адресу : Москва, 107005, Лефортовская наб.,д.1, корпус факультета "Энергомашиностроение", ауд._234э .

С диссертаций мояао озвахомяться в библиотека МГТУ.

Вая отзыв ва автореферат в двух акезвмалярах,заверенный печати) учреядвния, просим напревать по адресу : Москва, 107005, 2-я Бауманская уд.,д.5, М1ТУ им.Н.Э.Баумана, Ученому Секретари) Сшцвалхзярованного Совета К 053.15.05.

Автореферат разослав " 30 " декабря 1992 г.

Учений Секретер

Специализированного Совета

кандидат технически наук доцент

4L-

/

Ефимов С.И.

ОЗДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАбОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. В оснопних направлениях зкопр'»ц-чоского и социального развития многих стран , в том число а Ливана,продосматривается дальнейшее расширение применения дизелей в различии! отраслях народного хозяйства. В развитых страна! планируется увеличение производства дизельных грузовых авто мобилей и автопоездов, большегрузных карьерных автосамосвалов , освоение производства дизельных автобусов и ускорение перехода па изготовление легковых автомобилэЯ с дизелышни двигателями .

Но несмотря на очевидные преимущества дизелей по сравнению с другим двигателями внутреннего сгорания (ЛВС),процесс смесеобразования н диффузионного сгорания неоднородной тогшгоовоздуш-ной сноси в дизеле сопровождается интенсивным выделенном вредных веществ в атмосфер/,таких как твердая углерод в виде сажистых частиц, окислы азота и другие вещества, что определяет данность и токсичность выхлопа .

Непрерывное увеличение парка автомобилей и установок с дизельными ДВС приводит к необходимости решения актуальной социально-экономической и экологической проблема - снижения токсичности и дамности отработавших газов (ОГ) дазэлвй .

Существущка в мировой практике дизелестроенля метода снижения токсичности и дамности ОГ связаны либо с воздзйствием на рабочие процессы двигателя, либо с физико-химической обработкой ОГ. Это достигается, как правило, применением систем снижения дамности и токсичности, включая фильтрацию и нейтрализацию ОГ,а тенге соответствуидей регулировкой дизеля.Однако в том и другом случаях происходит ухудшение экономичности дизеля, увеличение его металлоемкости, усложнение конструкции и технического обслуживания. Поэтому возраставшее внимание уделявтея поискам технических реаешй с целью совершенен вания рабочих процессов, отличанцихся шлшхошшм уровнем токсичности и дамности ОГ при сохранении высоких экономических показателей. Особая необходимость существует в ешкении содержания наиболее вредных компонентов в ОГ дизелей : газообразного - окислов азота (N01) и дизельной саги, определяющей данность ОГ и являющейся носителем канцерогенного Оэнз(а)пирена. Наиболее простим и эффективным способом является применение различных присадок к топливу.

Теоретической основой для разработки малотоксичного рабочего процесса дизеля слуяит взаимосвязь между параметрами, характо-рязупцшя рабочий процесс и фазико- этическими услов._лми в

1

камере сгорания (КС), определяющими показатели токсичности и данности ОГ. Отыскание такой взаимосвязи позволяет оценивать уровень токсичности и дымноетн ОГ и рекомендовать способы их снижения.Наиболее эффективным средством физико-химического воздействия на параметры рабочего процесса является использование присядок химически активных соединений (ХАС) к топливу. Кроме того,данные неорганические ХАС дешевы,доступны,нетоксичны,и пожаробезопасны. Разработанная в Российским Университете Дружбы Народов (РУДН) на кафедре Комбинированных ДВС (КДВС) топливная аппаратура с обратным клапаном позволяет без существенной переналадки дизеля, с малыми затратами решить задачу введения в КС через линии высокого давлевмя(ЛВД) нерастворима в топливе ХАС.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью исследования является изучение взаимосвязи между характеристиками процесса тепловыделения и токсичностью и дымкостью ОГ дизелей и разработка на основе отой взаимосвязи практических рекомендаций по созданию рабочего процесса, обеспечивающего низкую токсичность ОГ.

В диссертации поставлены сдвдуицие задачи :

1)проведение анализа процесса тепловыделения в дизеле в начальной фазе объемного сгорания и его влияния на уровень токсичности ОГ; разработка рабочей гипотезы;

2) разработка физико-химических средств воздействия (ХАС) на внутри;оштдровые процессы,определяющие интенсивность образования токсических газообразных веществ и твердого углерода;

3) разработка методики изучения эффективности ХАС на основе физического моделирования на бомбе постоянного объема; .

4) проведение экспериментальных исследований характеристик токсичности и дамности ОГ на дизеле с использованием ХАС и их количественной взаимосвязи с характером тепловыделения;

5) разработка рекомендаций по созданию рабочего процесса дизеля с пониженной токсичностью и их экспериментальная проверка.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Анализ состояния вопроса - по научным публикациям. Анализ механизмов образования токсичных веществ, сущаствуодих присадок к «опливу и механизмов их воздействия. Физическое моделирование процессов в бомбэ постоянного объема с использованием разработанных многокомпонентных присадок к топливу. Расчетно-экспериментальные исследования элементов системы ввода дозированных порций присадок в КС. Расчетно-экстаримен-твлыше исследования взаимосвязи параметров рабочего процесса с токсичностью и дамностью ОГ.с обработкой ряда экспериментальных г

данных на ЭВМ.Экспериментальная проверка предложенных решения па одюцзлгпдровоп 14 8,5/11 и на полноразмерных дизелях 44 11/12,5 (Д-242), .84 12/12 (КамАЗ-740), 44 8,89/10,1 (РегК1пз),С ¡использованием газоанзлитических приборов непрерывного и дискретного действия,а тага» дамомеров различного тшю .

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна работа заключается в том, что подтверждена взаимосвязь дааду характеристннома объемного горения и тепловыделения в первой фаза, определяющего "жесткость" работы дизеля,с одной стороны,и концентрацией окиси азота в продуктах сгорания, с другой. Уточнена методика расчета параметров процесса воспламенения. Разработан расчетно-эксперимея-тальный метод оценки показателя характер сгорания для начального периода процесса сгорания. Исследован большой ряд неорганически веществ,обладающих эффектом воздействия на реакционную способность углеводородовоздуишой смеси,сниаащих токсичность я побышзжнх топливную экономичность дизеля. Доработаны и оптимизированы конструктивные и функциональные параметры систем подачи ХАС в КС дизеля. Разработана классификация предложенных соединений по эффекту данного воздействия. Оптимизирован процентный состав разработанных присадок к топливу. Показаны возможности улучшения экономичности п форсирования дизоля по частоте вращения и удельной мощности с применением присадок при сохранении заданного уровня токсичности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Роздана экспериментальная исследовательская установка, позволяющая наряду с регистрацией параметров рабочего процесса регистрировать токсические показатели 0Г дизелей. Получены данные по токсичности и думности 0Г дизелей 14 8,5/11, 44 11,5/12 (Д-242),84 12/12 (КамАЗ-740),44 8.89/10,1 (УегИгаз), в их птатной и опытной комплектации. Дани конкретные рекомендации по созданию рабочего прг-есса дизелей с пониженной токсичностью и данностью 0Г и проведена их проверка экспериментально. По результатам экспериментальных и расчетных исследований разработают рекомендации по рациональному выбору присадок. Созданы нетоксичные внсокоэффекнвныэ комбинированные присадки к топливу, имвнциа низкую стоимость.удобные для практического использования .1 способствующие улучшению энергетических и экономических показателей дизеля.Разработаны рекомендации по организации рабочих процессов дизеля при работе на топливе с этими присадками. В результате получено существенное (до 30 55) уменьшение концентрации N01 и значительное ( до 60 - 70 Ж ) гчизенпа

днмности ОГ па основе метода физико-химического воздействия на процессы воспламеленля и сгорания.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертационная работа заслушана .обсуждена и одобрена на заседании кефедры КДВС инженерного факультета РУДН. Основные положения диссертации доложены на научно-технических конференциях РУДН в 1989-1992г.г., на Всесоюзных научно-технических кон4йренциях в г.г. Набережные Челны 1989г..Днепропетровск 1990, Ленинград 1990г. .Владимир 1991г. .Николаев 1991'г.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты научно-исследовательской работы переданы в НАМИ, а также приняты к использованию для научных исследований в РУДН, ШШ(г.Николаев), ММЗ(г.Минск) и на основных зоводах автопромышленности ВАЗ, КамАЗ, БелАЗ.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации изложены в семя печатных работах. Три статьи находятся в печати.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 54 рисунков, 6 таблиц и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включащего 113 русских и ¿7 иностранных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАЙОТЫ.

ВО ВВКДЦШ обоснована актуальность и сформулирована цель исследовании.Приводимы данные о содержании в ОГ и выбросах вредных веществ разными двигателями. Показано,что окислы азота NOx являются наиболее токсичными продуктами ОГ дизелей.Представлена ограниченная возможность применения извостних методов и средств снйгения токсичности в обычных условиях эксплуатации дизелей .

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены и проанализированы работы русских и зарубежных ученых, посвященные вопросам снижения токсичности я данности ОГ ДВС : А.И. Войнова, Р.В. Мяловз, D.E. Свиридова, A.C. Соколика, С.А. Батурина, В.А. Звонова.В.И. СмаЯлиса. В.З. Махова, Е.Г. Пономарева, М.М.Вихерта, а также Старкмана, Смита, Стюарта, Мойрере. Скотта, Гейона, Нъюхала, Теснера и других.

Анализ экспериминтальных исследований токсичности и дамности ОГ дизелей проведен по елвдухщим основным направлениям : - влияние параметров двигателей на условия сгорания и образования вредных вёщасчи; - влг шо характера тепловыделения я сгорания; - влияние топлива и присадок к нему .

Отдельно рассмотрены физические и матоматические модели процессов образования вредных веществ при сгорании в дизеле.Несмотря на известные различия в допущениях при построении моделей, авторы используют механизм образования Nte. предложенный В.Я. 4

/

Зельдовичем. В результате показана'предпочтительность моделей, в которых рассмотрены локальные условия сгорания, структура топливовоэдушного факела и учтена динамика тепловыделения.

Наибольшие затруднения в расчетах кинетики образования Юх в КС дизеля связаны с оценкой и выбором значения температуры в зовах реакции. Влияние неоднородности состава смеси приводят к существенной разности температур в отдельных зонах КС,что делает различными и кинетические параметры .определяющие выход N0*.

Многие авторы,указывают на то,что уменьшение дымности и токсичности связано как с воздействием на рабочие процессы дизеля, так в с физико-химической обработкой его ОГ . В зависимости от принятого механизма образования сажи я КОх при сгорании топлива она пытаются обосновать механизм! воздействия присадок на данность и токсичность ОГ. Другие считают,что присадки повышают полноту сгорания топлива, снижают содержание твердых частиц в ОГ.Третьи связывают снижение токсичности с ускорением процессов окисления топлива в предаламонный период.Катионы в органических присадках на основа металлов рассматриваются как каталитические активаторы процессов окисления углеводородов или как ингибиторы процесса дегидрогенизации молекул топлива.проявляющиеся на стадии предаламвнных реакций. Практически отсутствуют публикации оо применению в качестве присадок неорганических ХАС.

На основе анализа работ сделаны следующие выводы: 1^Образованию КОх при сгорании в дизелях способствует объемное сгорание в начальной фазе процесса,характеризующееся высокими скоростями тепловыделения в нарастания давления, и образованием локальных зон с высокой температурой,соответствующей сильной диссоциации молекул при наличии в зонах свободного кислорода. 2 )Серьезше трудности при изучении термодинамического состояния рабочей среда в цилиндре дизеля в зрдод объемного сгорания связаны с отсутствием количественного метода определения кинетических показателей воспламенения.

3)До настоящего времени углубленные.комплексные исследования на ДВС неорганических ХАС, воздействующих на кинетику воспламенения и сгорания, не проведаны. Конструктивные и функциональные параметры систем подачи этих соединений в КС ДВС не отработаны.

Ввиду ограниченности исследований оо присадкам к топливу в противоречивости выводов по эффекту их воздействия ва рабочие процессы двигателя не представлялось возможным подойти к целенаправленному выбору высокоэффективны, комбинированных гтисадок

в т.ч.и неорганических,и решению вопроса об их влиянии на топливную экономичность,а также к разрешению ряда других проблем .

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрена возможность комплексного подхода физико-химического воздействия на процесс снижения токсичности и дымности химически активными присадками к топливу.

Наиболее радикальный мотод борьбы с главным компонентом вредных выбросов дизеля- окислами азота -заключается в воздействии на процессы его образования при сгорании топлива. При использовании известных и уже раэряботяных способов такого воздействия,' как правило,возникают побочные негативные эффекты.

Экспериментальными исследованиями была доказана взаимосвязь между экономичностью дизеля и токсичностью его ОГ по определяющему компоненту- N01. Ее сущность,выявленная на основе анализа опытши данных, выражается в том, что любое воздействие,направленное на сокращенна выхода N01 при сгорании в дизелях,как правило,приводит к снижению эффективного к.п.д.цикла (т)е).

Если принять, что выход нох и экономичность дизеля связаны комплексным параметром вида ИОх/т)е, то отмеченное свойство проявляется в том, что при всяких воздейстиях на рабочий процесс, связанных с одновременным изменением N0* и т}в. данный параметр стремится сохранить свою исходную величину,т.е.,в первом приближении кох/У1е—► оопз г. Универсальность связи че-иох у дизелей подтверждена исследованиями влияния различных конструктивных и регулировочных факторов на выбросы вредных веществ с ОГ.

Применяемое для снижения выхода №х, уменьшение мощности у дизелей практически создает лишь кажущийся эффект. При снижении концентрации N01 удельный выброс £К01 либо не изменяется, либо несколько возрастает. Уменьшение выхода кох.как правило, сопровождается ростом выхода СО и дымности ОГ.Повышенный выброс с ОГ энергоспособных продуктов неполного сгортия подтворждзс-т при этом правомерность зависимости НОх-т)е им и можот

жить одним из критериев, лимитирующих целесообразные пределы снижения ЛОх при проведении антитоксических регулировок дизеля.

Решение двуединой и противоречивой проблемы снижения расхода топлива и N01 представляет собой с-.ожную научную и практическую задачу,которая не может быть разрешима традицио!Шыми методами.

ларактеристика тепловыделения в начальном периоде сгорания для режимов работы дизеля 14 8,5/11 при углах начала подачи 6=20 и 30*существенно отличается интенсивностью процесса (большей для 6= 30°).Расчетные температуры при 0= 30°тьете* оказались 6

\

выше, что привело к более высокой концентрации N01 и, принимая во внимание высокий удельный индекс.концентрации N01, к большой токсичности продуктов сгорания при 9 = 30*.

Исследованиями процесса тепловыделения в дизелях установлены два характерных периода, отличагпихся природой сгорания и воздействием на механизм образования КОх. Длительность начального периода составляет 4-12* поворота коленвала (п.к.в.).Сгора;ио в этот период обладает признаками объемного сгорания, теплового взрыва и сопровождается высокой скорость» тепловыделения и нарастания давления в КС.Второй основной период процесса сгорания имеет продоккительность 40-50* п.к.в. и связан с выгоранием основной часта топлива. Здесь интенсивность процесса определяется диффузией паров топлива и окислителя в зону реакции.

Скорость тепловыделения в начальном периоде и продолжительность последнего определяются скоростью цепных реакций окисления углеводородов, которая зависит от реакционной способности топливовоздушной смеси. Опыты показывают, что количество тепла, выделившегося в начальный период, связано с продолжительностью периода задержки воспламенения и количеством горшей смеси,подготовленной за этот период.

Важнейшая характеристика процесса сгораниятего продолжительность, определяющая своевременность выделения теплоты по времени (по углу п.к.в.), формируется на основе тесного взаимодействия физико-химических факторо. в начальной и основном периодах.Так, процесс сгорания в основном периоде в значительной степени определяется эффективностью сгорания топлива в начальном периоде.

Для анализа термодинамического цикла дизеля на ЭВМ,и оценки влияния интенсивности тепловыделения в характерных периодах цикла на его показатели,использована система уравнений, представ-лящая собой математическую интерпре-чцию двойной функции проф. Вибе И. И. Анализ показывает .что на общую продолжительность процесса сгорания & влияет продолжительность начального периода ^.интенсивность тепловыделения в начальном и основном периодах Показатели характера сгорания в начальном п^ и основном ш периодах определяют в них уровень максимальной скорости сгорания.

Уменьшен э т^ приводит к сокращению 5Ре и повышению максимальной скорости сгорания в начальном периоде (си/йУ)^^, что приведет к увеличена» жесткости работа двигателя, повышении максимальных скоростей нарастания давления и давления в цилиндре и к росту аьассин Шх. Иное влиян?~ оказывают параметр Ун а

д^.-Д-

показатель т.Уменъаиние показателя ш,повышая интенсивность тепловыделения, приводит к сокращении без изменения (Г^.за счет увеличения максимальной скорости сгорания основного периода *таж='с1х/£|<^п!а*' Аналотпж) действует уменьшение

Таким образом,сокращение процесса сгорания в целях улучшения экономичности ЛВС целесообразно обеспечивать повышением интенсивности тепловыделения в основном периоде за счет уменьшения показателя ш.или уменьшения ^н. Это позволит улучшить экономичность без ухудшения динамических показателей рабочего цикла, определяющих токсические качества (по МОх) и надежность ДВС.

Матьматнчесхи обоснованна взаимосвязь между показателем я^ и скоростью важнейшим определяющим параметром которой явля-

ется количество топлива, испарившегося за период задержки воспламенения (т,). Долю топлива в< поданного за период можно определить по интегральным характеристикам впрыскивания,которые являются функцией нескольких пьременных. Хорошая аппроксимация достигается степенной функцией вида в = где ^-продол-

жительность впрыскивания топлива,А и В - константы. Для расчета количества испарившегося топлива за период (6нсп) разработан алгоритм модели расчета висп на основе методики проф.Д.Н. Вырубова. Для отыскания функциональной связи между показателем п^ и ®мсп пРоввЛ0Н статистический анализ результатов обработки характеристик тепловыделения с использованием большого количества индикаторных диаграмм.Обобщенные результаты анализа аппроксимированы в виде функции: тн= К ехр(-С-0>сГ1),где С и К- константы.

Эти зависимости были использованы для разработки алгоритма математической модели расчета параметров начального периода сгорания по известным характеристикам топливоподачи.

Схема поэтапного комплексного воздействия ХАС с целью снижения токсичности ОГ представлена на рис.1.

На этапе, характерном для предпламенных реакций, целесообразны присадки, которые способствовали бы сокращению длительности идукциониого периода за счет активации предпламенных процессов окисления. На этапе видимого сгорания, и на последующем этапе диффузионного сгорания, целесообразны присадки, каталитически активизирующие процессы окисления,сгорания и догорания топлива.

Лз данной схемы становится очевидным,что создание высокоэффективных присадок связано с поиском химических активаторов, обладающих комплексом необходимых воздействий на всех стадиях рабочего процесса. Для обоснования направления поиска веществ 8 ' '

проведав предварительный анализ образования NOx,проанализированы периода предоламенной кинетики я активного горения.

Для периода предпламенных реакция, о pci.ntsx рабочей гипотезы можно предположить,что большинство химических превращений в КС дизеля вдет по цепному механизму.В соответствии с представлениями теории цепных реакций акад. Н.Н.Семенова, ведущая роль в хх равитии принадлежит химически активным частицам, легко вступа-вдим в соединение с исходными или промежуточными продуктами, возобновляя тем сажм цепь превращений. Подобный многостадийный механизм развития реакций позволяет качественно оценить ускоряющее действие небольших доз активатора, вводимого в зону реакции,если рассматривать его как источник активных частиц.

Сделав допущение, что введение в зону реакции активатора соответствует уввлечению числа активных частиц (при условии, что энергия активации процесса разложения активатора значительно ниже,чем процесса диссоциации углеводородов топлива), которое возрастает с ростом концентрация (О) активатора и его аффектия-ности,можно предположить,что прозойдет соответствующее сокращение периода индукции на Да. Эти предположения позволили оценить возможности сокращения длительности предпламенных реакций я уменьшения эффективной энергии активации воспламенил в зависимости от содержания введенной присадки и ее эффективности, что облегчало поиск веществ с повышенной реакционной способностью.

Проведены опыты по физическому моделированию ряда процессов дизеля в бомбе постоянного объема с присадками и без них. Метод лабораторного химического анализа, где оценочным критерием при выборе активаторов, является максимальная температура сгорания, позволил выявить ряд ХАС, обладающие эффектом снижения данной температуры. Результата исследования образования N0* в сажи в бомбе постоянного о'-ема методом рассеяния на аэрозолях позволили выявить каталитическую способность ряда ХАС, их влияние на уменьшение периода индукции ни полноту сгорания топлива.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ поставлены и решены следующие задачи :

1)Получено экпериментальяов подтверждение гипотезы о взаимосвязи характеристик тепловыделения начального периода (в т.ч. тд) и концентрации NOx для различных дизелей.

2) Проведены испытания в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов Я углов в,т.е.в условиях,существенно отличаюцих-ся характеристиками твпловндьлепия в ; чальном периоде.

3)Разработан и исследован иирокий спектр мзюгофункциональтшх

9

ХАС, н доработана система их подачи в КС дизеля.

Эксперименты проведены на трех экспериментальных установках с дизелями 148.5/11, 44 11/12,5 (Д-242), 84 12/12 (КамАЗ). Все испытания проводились на установившемся режиме. Даны описания системы подачи ХАС в КС дизелей.

Анализ ОГ на дизеле 14 8,5/11 проводился газоаналитической аппаратурой дискретного действия. Концентрация NOx определялась фотоколоматрическим методом с использованием реактива Зальцмана на фотоэлектроколориме тре типа"<КЭК-56М". Точность анализа ±5 %. Концентрация СО определялась с помощь® прибора "Бош"с точность» ±1 Ж.Анализ ОГ на дизелях Д-242,и КамАЗ-740 проводился на автоматической газоанализаторе "БЕЗШАН" непрерывного действия. Точность анализа составляет ±15Е.Дамяость ОГ определялась дамомаром "Бош-ЕРAW-68A",работающего по принципу фильтрации ОГ.Индикаторные диаграмм задаснвались пневмэалвктро-индикэтором "МАИ-2".

Эксперименты на дизеле 14 8,5/11 показали что,в периоде объемного сгорания изменения п^ в зависимости от 6 и концентрации NOx в ОГ протекают согласованно. Вид кривых хорошо увязывается с представлениями о влеянии к „а параметры объемного сгорания :с ростом xi происходит резкое увеличение давления и температуры,что приводит к возникновении условий, соответствующих диссоциации молекул,в частности, кислорода и повышенному выходу NOx. Различная интенсивность объемного сгорания, определяющая скорость тепловыделения, приводит к различной степени изменения указанных параметров и к различному выходу МОх.При соответствующим изменении нагрузочных характеристик дизеля 14 8,5/11 значительно изменяются параметры,определяющие кинетику образования и конечный выход NOx. в этих условиях более объективный анализ обеспечивается при сравнении взаимосвязи п^ с величиной удельного выброса окислов аь^та GNOx. который зависит от изменения среднего эффектного давления Ре. Протекание кривых шн « /(Ре) и ^NOx ~ ф(Рв) для различных п близко по своему характеру. Так и для регулировочной характеристики да 0,зависимость CNC>I от Юд выражается в виде £?КОх » К-ln Шд, хотя К для разни п различно.

Зависимость СКОхж К-ln п^ подтвердили и акпертенты на дизеле Д-242,т.е. подтверждена однозначная взаимосвязь мохду удельными выбросами К Ох и интенсивностью тепловыделения в первой фазе, определяй!»* "жесткость" работы дизеля (рис.2).

В ходе исследования широкого спектра веществ.подаваемых в КС двигателя была проведена конструктивная доработка элементов я «О

узлов системы их подачи. Также доработана методика подачи ХАС.

В конце главы изложена методика обработки данных.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены анализ и разработка способов рациональной организации малотоксичного процесса сгорания в дизелях, результаты экспериментальных исследований воздействия многофункциональных ХАС на тосичность и дамность ОТ и на эффективные показатели дизелей 14 8,5/11, Д-242, КамАЗ-740, РегМпз.

Сформулированы требования к организации процесса сгорания, обеспечивающего низкую тосичность и дамность ОГ. Главы» из них: 1)Выбор рационального.по соображениям скорости тепловыделения и расхода топлива, момента начала подачи. 2)Управлегоэ процессами воспламенения и сгорания с целью снижения интенсивности тепловыделения в начальном периоде. 3Уменьшение массы смеси, реагирующей в фазе объемного сгорания. 4)Расширение пределов воспламенения смеси, за счет повышения ее реакционной способности. 5)Снижение общей продолжительности процесса сгорания. 6)Выбор композиций наиболе активных ХАС, снижавших выбросов сажи и КО*.

Анализ способов реализации указанных требований показал, что применение ХАС является перспективным способом управления вос-пламинением и сгоранием. При введении ХАС в КС заметно возроста-ет реакционная способность смеси, уменьшается эффективная энергия активации Е,сокращается период индукции и (рис.3), существенно уменьшается доля топлива,сгоранцегося в периоде объемного сгорания, увеличивается ¡¡¡н. снижается уменьшается "жест-

кость" работы дизеля и, как следствие этого снижаются концентрации N02 и сажа в его ОГ.

В результате испытаний показанно.что кривые и 1п при применении ХА.С имеют близкий характер протекания, что подтверждает справедливость предложенной гипотезы. Найдены наиболее активные ХАС по эффект,' снижения N01.Выявлены их оптимальные концентрации в топливе (рис.4).Подтверждена роль катиона в их составе как носителя активирующего эффекта. Изучена взаимосвязь температуры диссоциации ХАС и его активности. Разработаны рекомендации по их качественному и количественному выбору.

Результатами обработки индикаторных диаграмм подтверждено влияние ХАС на токсичность ДВС через характер тепловыделения. Установлено снижение Т®^ и уменьшение интенсивности активного тепловыделения в фазе гомогенного сгорания. Этими измонеяиячи в рабочем цикле дшеля объясняется гни»: да Шг и сггтг нэ выхлопе. Перераспределение окислителя мс :г.,цу СО, СОг и 'ГСх приводит к

11

снижению атомарного кислорода в газовой среде я повышению концентрации нетоксичной С02. Анализ твердых частиц, осажденных на фильтрах сажвмера "Бои" пока зал, что ХАС способствуют снижению содержания в ОГ частиц углерода, частиц тяжела углеводородов с канцерогенной активностью,а также альдегидов.

Проведена статическая обработка экспериментальных данных,заключающаяся в нахождении аппроксимирующей зависимости С/Со=/(0) и получена экспоненциальная зависимость : С/Со = ехр (- А-0В), характер которой сохраняется для всех исследуема ХАС,где С,Со-концвнтрации НОх при использовании ХАС и без них соответственно; о - концентрация ХАС в топливе; А и В - постоянные коэффициенты, характеризующие эффективность ХАС (рис.4).

Воздействие ХАС ва показатели рабочего процесса показывает, что в их присутствию уменьшается и, снижаются значения Р^*2. ((1р/С1(Р)ва1 и происходит перераспределение выделявшегося тепла в цикле по периодам. Возрастает теплоиспользование в период диффузионного сгорания, а фаза гомогенного сгорания уменьшается. Наксимуш скорости сгорания сближаются и располагаются ближе к ВМХ,^е уменьаеется.что предопределяв', возрастание эффективности термодинамического цикла, снижение Оценка удельного выброса КОх и сажи с ОГ показала, что уровень их выбросов может удовлетворить принятым нормативам,когда базовая система тошшвоподачи не обеспечивает их выполнение.

Эксперименты на дизеле 14 6,5/11 показывают,что дм организация более эффективного протекания рабочих процессов при применении ХАС целесообразно уменьшить угол в ва 3-4*(рис.6). Это ве приводит к дополнительному выходу НОх,а на экономичность в на выход других токсичесюа компонентов практически не влияет.

Испытания дизелей Д-242 (рис.7), КамДЗ-740 (рис.8). Регк1па (рис.9)подтвердил высокую эффективность исследованных ХАС.Показано их воздействие на токсичность в экономичность дизелей.Тенденция к уменьшению угла в сохраняется. Качественно аналогичный характер имеет аппроксиыирухщая зависимость С/Со = ехр (-А-08).

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ на основе анализа результатов обосновывается перспективность применения высокоэффективных неорганических ХАС. С учетом выявленого различия в механизме действия отдельных ХАС. рекомендуются два направления по их разработке : 1)4ыбор комбинации соединений с взаимодополняющим эффектом. ?.) Разработка сое дине ний-1фомоторов,повышающих активность основ-шх компонентов ХАС.Этот эффект используется хах дополнительное 12

средство воздействия па кинетику выгорания углеводородов.

Исследования?,::! гиявлэно.что экономия топлива при использовании ХАС достигается как за счет оптимизации показателей тепло-использов8!шя,так и за счет воздействия ХАС па кипотику образования сажи.Расчетно-экспериментальный анализ,пропедонный с при-влвче!шем методики Д.Д.Матаевского.позволил оценить долю экономии топлива.полученной за счет снижения тепловых поторь при са-жевидолошш. Эта экономия состав'.иа около 2,5 %, при семерной экономии 4 Я. Таким образом, за счет эффекта оптимизации термодинамического цикла, вследствие активации процессов воспламепе-ния и сгорания,достигалась экопомия в пределах 1,5 Ж (рис.5).

Проведены предварительные исследования по получению ХАС путем паро-газовой конверсии ^непосредственно в КС за счет каталитического покрытия е»9 ствнок. Опыты на 14 8,5/11 показали перспективность дшшого способа активация рабочего процесса.

Перспективным также является использовашв газообразных ХАС, например водород и водсродосодвржзщяе продукта переработки ДТ. Опыта,проведенные совместно с сотрудниками НКИ(г.Николаев),дают основание рассматривать водород как эффективный активатор.Подача водорода в КС осуществлялась тремя способами: непосредственно из баллона, из металлогидридного аккумулятора водорода и из плазмо-химического газификатора ДТ.

ОбЩИЕ ВЫВОДЫ и ОСНОВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Аналитически обоснована и экспериментально подтверждена взаимосвязь мажду характеристика;® тепловыделения в начальном периоде процесса сгорания и содержанием КОх в ОГ дизелей.

2. Предложена уточненная математическая модель расчета параметров процесса воспламенения в дизелях с учетом изменения

. термодинамического' состояния рабочего тела в КС.

3. Разработан м' -од организации рабочего процесса дизеля с улучшенными экономическими и экологическими показателями на ос, ново применения средств физико-химического (комплексного) "воздействия нэ процессы воспламенения, сгорания и сажевыделения.

л. На основе результатов теоретического анализа,физического моделирования на бомбе постоянного объема и экспериментальных исследований на двигателях,разработаны и предложены для практического применения многофункциональные компазиции ХАС, позволяющие улучшить энерго-экологическив показатели дизелей.

5. Усовершенствована система под? и жидких и газообразных ХАС в камеру сгорания дизеля. О

6. Изучен механизм действия отдельных компонентов многофункциональных ХАС по эффекту воздействия на кинетику предпла-менных процессов, воспламенение, сгорание и образование NQx и сажи и выявлены их оптимальные концентрации в топливе.

7. Предложенный способ организации рабочего процесса дизеля обеспечивает снижение выхода NQx на 25 - 30 X и дымноети 0Г в 1,5 - 2 раза без ухудшения топливной экономичности.Концентрация окиси улерода и углеводородов при этом меняется незначительно.

8. Экспериментально подтверждена возможность использования ХАС для форсирования дизелей по Ре и п при сохранении заданного уровния токсичности и дамности ОГ.

9. Экспериментально подтверждена возможность применения газообразных химически активных веществ (продуктов шшзмо-химичес-кой переработки ДТ,продуктов внутрецилиндровой паро-газовой конверсии ДТ и водорода) для активации рабочего процесса дизеля.

10. Экспериментальные образцы системы прошли успешные испытания на основных заводах автопромытланости ВАЗ, КамАЗ, БелАЗ и головном НИИ отрасли НАМИ. Модернизированные варианты системы подачи водорода и продуктов плазме.люй конверсия ДТ в НКИ. Метод каталитического покрытия КС принят на ШЗ.

ПО теме диссертации опубликованы следующие работы:

1)Фоммл В.Ы.,Савастенко A.A.,Реда Н.Ф. Улучшение характеристик воспламеняемости и сгорания дизельного топлива применением ХАС// Твз.докл.на всесоюз.научн.хонф.-Днепропетровск,1990,-11 с.

2)5омин В.М.,Савастенко А.А.,Реда Н.Ф. Снижение дамности и токсичности ОГ дизелей введением растворов ХАС в топливо// Тез. докл.на всесоюз.научн.-техн.коаф.- Ленинград,1990,- С.103-104.

3)Фомин В.М..Савастенно A.A.,Реда Н.Ф. Результаты эксплуатационных испытаний систем снижения дамности и токсичности на дизельных автопогрузчиках, Тез.докл.на 1-ом всесоюз.научн.-техн. семинаре. - Владимир,1991,-С.43.

4) Исследование возможности промотирования процесса сгорания в дизеле продуктами алазмохимической переработки традиционного топлива. / Фомин В.М., Савастенко A.A., Реда Н.Ф., Сербии С.И. // Твз.докл.на всесоюз.научн.конф.- Николаев,1991,С.57-59.

14

экономические показатели _ДИЗЕЛЯ_

X

3

Увеличение термодинамической эффективности цикла

Сокращение продо-лжнтвлыюстн процесса сгорания "Т

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ ПО КОх

if

X

<1тття1тя

термодинамической эффектшзи-ости цикла

Cazo- Активация

сгорания в

днотузион-

пода- ноЯ фаза

влэ- Активация

сгорания в

пия переходной

Фаза

Сшканшэ выхода НОх (то СивЯлису)

С'шкошш текпературпой ноодпородростп по объему КС

X

ггйиленнк ВЫХОДА

НОх

_ г

Снижение теплового аффекта п вах. скорости тепловидвло-нпэ в кппотяч. фаэо

расширения пределов воспламенения смеси_

хшически Активные Сое дана ппя (ХАЦ)

X

Активация предала-шнннх реакции и ептаэнко дллтолъго-ста впдукц.пвркода

Рис.) Метод организации рабочего цикла дпзэля с улучшенными экономическими.и экологическими показателями.

\

N

I.

ио 1.5

1.4

1.3

-0»5 -1.5 -2.5 -3.5 Рис.2 Изменение удельного выброса NOx от показателя т^

1.2 0.«

"о 0.01 0.02 о.оз 0.04 0.05

Рис.3 Влияние Мл на характеристики воспламенения (14 8,5/11).

Ago, %

2.0

1.5

1.0

0.5

0.70,

,(КН4)( Сл< гл MnCX2 »'4Нг°| 4HgO

у ---'

/ л

—JH —- -

O.OI 0.02 0.03

0.* 0.04

0.02 0.04 о.об 0.08

Рис.4 Влияние ХАС на концентра- Рис.5 Влияние ХАС на сшпвнле цию окислов азота. уде-тьлзго расхода тоялавз.

г.о

о. от

9. шаз . ■——"

8 до виг 0.3

0.65

1.0 Р^ом

Рис.б Влияние утла в на харак- й 2.1 Влияние ХАС на хврак-*" ~ ' тористики дизеля 44 11/12,5.

теристики дизеля 14 8.5/11. •-ДГ ;А-ДГ+0,02Ж Мп+0,01Ж Но.

СЫОх

да*

1 ,оо

Сс

?е=0. ЫПа вэ

СШх

У г-—1 N ч

у У У

К Ссо /А. У

[V > ✓

чч V Со к

л

п ^ У

_^ г- И'

тористики

•-ДО ;А-ДТ+0,02* НпЮ.ОП Мо. Снох

рНОЫ

4(0*

1 .г

Ссо

со 1 .о

С"

1.0

0.40 0.55 о.то 0.05 1,0

Рис.8 Влиялкэ ХАС на характеристики дизеля "84 12Л2. •-дт :А-дг+о.огх нп+0.01* Ыо. 16

0,6 о.т о.в 0.9 1.0

Рис.9 Влияние ХАС на характеристики дизеля 44 8,89/10,1. .-да ;А-ДО+0,02* Ип+0,01* Мо.