автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Снижение токсичных выбросов дизелей мобильной сельскохозяйственной техники при эксплуатации путем совершенствования очистки отработавших газов

РГЗ ОД

- у П. ¿Л г : -' На правах рукописи

Амельченгсо Вячеслав Александрович

СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЕЙ МОБИЛЫЮП СЕЛ ЬСКОХОЗЯПСТВЕННОП ТЕХНИКИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОЧИСГК11 ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Специальность 05.20.03 - Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техник»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САРАТОВ -1997

Работа выполнена на кафедре "Тракторы н автомобили" Саратовского государственного агроинженерного университета.

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент

В.И.Цынцын В.А.Стрслышков

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент

Б.П.Загородских Д.В.НовофастопскпП

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский и просктно-технологическнй институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ВИИТнН, г. Тамбов)

Защита диссертации состоится 26 декабря 1997 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д-120.04.01 Саратовского государственного агроинженерного университета по адресу: 410740, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 32$.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "2? ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного

}

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Защита окружающей среды от токсичных выбросов промышленности м транспорта в настоящее время ставится по важности в один ряд с проблемами разоружения, борьбы с голодом на планете.

Выбросы от автотракторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются одними in основных загрязнителей атмосферы и фактором, ухудшающим условия труда обслуживающего персонала. В среднем один автомобиль пыбрасывает 100 г токсичных веществ на каждый километр пробега, а выбросы в атмосферу продуктов сгорания при работе двигателей тракторов достигают в РФ 5 млн т в год. В целом по России на долю автотракторной техники приходится около 60% вредных выбросов п атмосферу. Это заставляет вести интенсивные поиски путей снижения вредных выбросов в отработавших газах (ОГ) ДВС.

Меры, связанные с внесением существенных изменений в конструкцию двигателей, а также применение альтернативных видов топлива потребуют серьезной перестройки отечественной промышленности, сырьевой базы, вложения крупных инвестиций.

Поэтому на сегодняшний день наиболее эффективным и экономически приемлемым является установка в выпускной системе двигателя каталитического нейтрализатора. Актуальность работы подтверждается также гем, что она включена в планы НИР СГАУ, являющиеся частью государственных и региональных научно-технических программ и постановлений ЛИ Российской Федерации.

Цель работы. Снижение токсичных выбросов дизелей мобильной сельскохозяйственной техники при эксплуатации путем совершенсшовання каталитической очистки отработавших г азов.

Объект исследований. Тракторные дизели Д-240. Д-242 и Л-II. оборудованные каталитическими нейтрализаторами отработ nmiim i wrv

Методики исследований включает использование современных методов и измерительных приборов. Для замера токсичных компонентов в ОГ дизеля использовался высокоточный газоанализатор "Testo 350" (ФРГ), хроматограф для проведения спектрального анализа ОГ дизеля. Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений, законов газовой динамики и данных физического эксперимента. Для обработки результатов эксперимента и проведения оптимизации параметров нейтрализатора использовалась ПЭВМ "Pentium" и современные методы пространственной компьютерной (рафики.

Научиая новизна диссертации заключается в разработке математической модели процессов, происходящих в каталитическом нейтрализаторе при работе ДВС, на основании которой с учетом производственных, эксплуатационных и экологических затрат оптимизированы основные параметры нейтрализатора. Определена зона оптимальных значений (и их сочетаний) диаметра нейтрализатора и длины засыпаемого слоя катализатора. Получена уточненная теоретическая зависимость для определения величины гидравлического сопротивления, создаваемого нейтрализатором на выпуске (Д р), которая учитывает движение ОГ в ядре потока и граничном слое.

Практическая ценность и пути реализации работы. Разработана конструкция каталитического нейтрализатора, которая защищена положительным решением на выдачу патента на изобретение № 95181838/06 (038636) от 26.12.96 г. Обоснованы параметры каталитических нейтрализаторов ОГ, что позволяет свести к минимуму затраты на изготовление и эксплуатацию нейтрализаторов, снизить токсичные выбросы No« и СО на 50 ...70%.

Результаты исследований могут быть использованы при эксплуатации мобильной сельскохозяйственной техники в агропромышленном комплексе, а также при проектировании нейтрализаторов для новых образцов мобильной техники.

.Внедрение. Экспериментальные нейтрализаторы установлены на зрак-торах МТЗ-80 и ДТ-75М и проходят эксплуатационные испытания в хозяйствах Саратовской области: ТОО им. Кирова Калининского района, Мокроусском ЛПУ, АО "Маяк" Федоровского района.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Теоретическое обоснование оснопнь/х параметров нейтрализатора.

2. Математическая модель оптимизации эксплуатационно - технологических показателей нейтрализатора.

3. Рекомендации по снижению токсичных выбросов дизелей и результаты внедрения в агропромышленном комплексе.

Апробация. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены:

— на научных конференциях профессорско - преподавательского состава, научных работников и аспирантов СГАУ (г. Саратов, 1993-1997 гг.);

1

— на Всероссийской конференции молодых ученых, г. Саратов, СГУ, 1997 г.;

— на 3-й Международной конференции "Экология. Экологическое образование. Нелинейное мышление", г. Воронеж, ВГУ, 1997 г.;

— на 2-й Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России, г. Москва, МГАНГ, 1997 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в семи публикациях.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков, 10 таблиц, библиографию из 104 наименований, из них 10 на нностранном/пыке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введшие

Изложена актуальность темы и основные положения, которые выносятся на защиту.

. I. Состояние вопроса.

Цель и задачи исследовании

Л ил Jim состояния вопроса показал, что значительное увеличение про изводства мобильной сельскохозяйственной техники н идущая во всем мн днзелнзацня постепенно увеличивают долю автотракторных дизелей в о& щем балансе загрязнения природной среды.

Исследованиями ряд;» авторов установлен механизм образопания ток енчных компонентов в цилиндрах дизелей, выявлено вредное воздействие отработавших газов ДВС на природную среду и персонал, обслужнвающ технику. Основными загрязнителями являются оксиды азота к углерода, которые в отработавших газах превышают предельно допустимые нормь 2-3 раза, а' в кабине трактора в 4 - 8 раз.

Подробно рассмотрены возможные пути снижения токсичности ОГ ДВС, методы малотохеичной эксплуатации мобильных сельскохозяйстпе ных машин. Приводится классификация и обосновывается наиболее эфф тнвнын способ снижения токсичности ОГ применением каталитических нейтрализаторов. Решению задачи снижения токсичности отработавших rajов ДВС посвятили свои работы ученые: Ннколаенко A.B., Сыайлис В Лнханов В.А., Сайкин A.M., Ховах М.М., Звонов В.А., Жегалин О.Н., П гачев П.Д., Варшавский ИЛ., Малов Р.В. н др.

Исходя из проведенного анализа и в соответствии с поставленной целью работы, сформулированы следующие задачи исследования:

1. Теоретически обосновать основные параметры каталитического ненгралнзаюра для эффективной очистки ОГ.

2. Оптимизировать эксплуатационные, конструктивные'и экологические параметры нейтрализатора с помощью современных мегодов исследования.

3. Разработать эффективную конструкцию каталитического нейграли-

4. Провести стендовые и эксплуатационные испытания экспериментальных нейтрализаторов и дать их технико-экономическую и экологи-■ ческую оценку.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 11 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Одной из причин сложности использования существующих теоретических зависимостей для расчета газодинамического сопротивления нейтрализатора является то, что определить некоторые показатели, входящие в выражение, можно только экспериментальным путем.

Выражение для расчета газодинамического сопротивления, предложенное О.Н.Жегалиным, имеет вид:

где jc—коэффициент сопротивления гранулированного слоя; — плотность газового потока;

Li — скорость потока ОГ, м/с.

Однако при расчетах Ар в формуле (1) не учитывается изменение скорости потока по зонам (в ядре потока и в пограннчном слое).

Поэтому на основе теоретических и экспериментальных исследований в работе проанализирована сущность гидравлических и теплофизическнх процессов, протекающих в каталитическом нейтрализаторе. Даны расчетные зависимости для определения геометрических параметров диффузора,

затора и обосновать режимы его работы при эксплуатации.

(I)

коифузора и реактора нейтрализатора, а также величины газодинамического сопротивления всех этих элементов.

С использованием ПЭВМ получено уточненное теоретическое выражение (2), представленное полиномическими зависимостями, которые с высокой достоверностью определяют величину противодавления (Др) на нейтрализаторе при изменении режимов работы дизеля:

^ „ ¿^ГГва^за.* МО * (а^а+аа,*')] /><€), (2)

где ЛО-',^»0^/). — постоянные коэффициенты;

функции вязкости и плотности потока ОГ от температуры; — условный диаметр канала, по которому проходят ОГ в нейтрализаторе, м. Площадь каналов равна:

5г" 5.г>- I (3)

где Д,— площадь поперечного сечения нейтрализатора, м!; З^и,— площадь гранулы катализатора в сечении нейтрализатора, м2 — количество гранул катализатора в слое, шт; Выразив площади 8«, Б* 5,р.„ через соответствующие диаметры и подставив их в выражение (3), получим:

» ^ - . (4)

и, соответственно:

и. \/ъ*-сС?п,

- «-г ,

где Ыг — диаметр гранул катализатора, м; 2) — диаметр нейтрализатора, м.

Проведенные теоретические исследования показали, что при расчетах основных параметров нейтрализатора отработавших газов насыпного типа необходимо:

•— учитывать движение отработавших газов ис только в ядре потока, но и в пограничном слое;

— уменьшать Ар за счет оптимального соотношения между диаметром нейтрализатора и размерами гранул катализатора.

Таким образом, исходя из выражения (2),уменьшение значений Др при расчетах позволит свести к минимуму потери мощности, топлива и эксплуатационные затраты.

3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОГ НАСЫПНОГО ТИПА

При оптимизации каталитического нейтрализатора в виде критерия качества целевой функции удобно использовать суммарные статьи затрат (Zsijph которые складываются из затрат на изготовление СЕ**^), эксплуатацию (2W») и на выплату по экологическим статьям (Sua).

Математическую модель, описывающую процессы, которые обеспечивают решение функции минимальных суммарных затрат, можно представить в виде формулы:

¿^■Злтр. опт — /Tlt/Ь ( ¿E^rfl )• ^

Рассмотрим отдельно каждую составляющую выражения (5): " ^inror - затраты на изготовление нейтрализатора, определяемые стоимостью использованных материалов для каждого из элементов нейтрализатора и пропоркнональныенх физическим размерам (активной поверхности, объему активной массы);

Т^Акугл - экспуаташюнные затраты, характеризуемые скоростным и нагрузочным режимами работы двигателя, сопротивлением нейтрализатора (Z^), влияющим на расход топлива, трудоемкостью технического обслуживания (J®) нейтрализатора, жизненным циклом катализатора и др.;

- сумма выплат по экологическим статьям, которая определяется степенью очистки ОГ. износом катализатора и режимами работы МТ А.

Перечисленные затраты могут быть представлены в следующем виде: ' To^vr. (6)

HtyitT.

Л-

Иэ«<м. )^ОС1Г С (Л/е, /2 - ^г.

где £ —длина цилиндрической части нейтрализатора, м; ¿г' —диаметр входного патрубка, м:; /2, — количество гранул в нейтрализаторе, шт;

— количество замен катализатора; аг — стоимость операции по замене катализатора, руб.

Коэффициенты т.д.) из выражений (6), (7), (8) определяли по

результатам экспериментальных данных с помощью ПЭВМ. Результаты оптимизации были представлены на рис.1. На рис. 1,6 можно видеть область оптимальных значений (и их сочетаний) диаметра нейтрализатора "й" и длины засыпаемого слоя катализатора " С".

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Методика исследований основана на системном подходе и включает проверку положений и выводов, полученных в результате теоретических исследований газодинамического сопротивления, создаваемого нейтрализатором, определения эффективности нейтрализатора. В соответствии с поставленными целями и программой экспериментальных исследований ставилась задача определения:

— исходных данных и параметров, необходимых для анализа расчетных уравнений, полученных в теоретических исследованиях;

— токсичности ОГ дизеля;

— величины и характера изменения температуры ОГ;

— величины и характера изменения газодинамического сопротивления

Рис.:/Оптимизация параметров каталитического нсТпрадшатора отработавших газов дизели Д-240: а - по стоимостному критерию 5: б • область оптимальных значений; в - зависимость диаметра нейтрализатора (1 от стоимостного критерия з; г - зависимость длины засыпки I от 5; О - оптимальная зона основных параметров нейтрализатора.

нейтрализатора;

— расхода воздуха и топлива;

—данных для построения математической модели оптимизации основных параметров каталитического нейтрализатора.

Испытания каталитического нейтрализатора ОГ, установленного на дизеле Д-240, проводились на обкаточно - тормозном стенде КИ -5543

ГОСНИТИ с электрической машиной АКБ - 82 - 6УЗ мощностью 55 кВт и синхронной частотой вращения ротора 1500 мшг' (рис.2). Стенд был подключен к системе отвода ОГ. В корпус нейтрализатора был засыпан гранулированный ннкельсодержащин катализатор на основе окиси алюминия, разработанный п НИИ химии Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского.

Концентрацию N0,, СО, Ог и других токсичных составляющих ОГ, температуру о зоне замера, коэффициент избытка воздуха замеряли высокоточным газоанализатором "Testo - 350" (ФРГ)-

Температуру ОГ регистрировали с помощью электронного потенциометра КСП - 2 - 026 (ГОСТ 7164 - 76) н одновременной записью на индикаторной ленте.

Для определения противодавления, создаваемого нейтрализатором, применяли пьезометры, установленные перед нейтрализатором и после него.

Часовой расход топлива замеряли весовым способом с помощью прибора АИР - 50.

Замер расхода воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, производили путем дросселирования потока. Установка для определения расхода воздуха состояла из днфманометра ДСС - 712 - МI, участка трубы, внутри которой была смонтирована диафрагма ДСК 10 - 50 - А/В - П. Данная установка соответствовала ГОСТ 26968 - 86.

Полученные экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики и ЭВМ.

шш mam шш -

са [но] но.

^ i-.-j в i=

з_с

Рис. 2. Схема экспериментальной установки:

1 - дизель Д - 240; 2 - каталитический нейтрализатор; 3 - нагрузочный стенд; 4 - пьезометры; 5 - расходомер воздуха; 6 - универсальный датчик оборотов двигателя; 7 - газоанализатор "Testo - 350"; 8 - печатное устройство; 9 - места отбора проб после нейтрализатора; 10 - места отбора проб перед нейтрализатором

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты экспериментальных исследований представлены па рис. 3,4.

На рис. 3 приведена зависимость изменения степени очистки (X, %) и перепада давления ОГ (Др) на нейтрализаторе от загрузки двигателя при постоянной частоте вращения коленчатого вала. Из него видно, что на малых нагрузках наблюдается резкое снижение выбросов N0» и СО и возрастание их значений при повышенных нагрузках. Это объясняется увеличением объема ОГ, проходящих через слон катализатора, что приводит к снижению степени их очистки. Значение перепада давления (Др) при испытании возрастает и не превышает допустимых значений (1,2...1,3)Юг МПа. Увеличение расхода топлива незначительно и составляет 2 - 4 %.

На рис. 4 приведены зависимости изменения степени очистки ОГот К'Ох и СО (X, %) от перепада давления ОГ (Др). Из пего видно, что оптимальное газодинамическое сопротивление нейтрализатора, соответствующее максимальной степени очистки ОГ, находится в пределах (1,02...1,06 )10'2 МПа (1020... 1060 мм.вод.ст.).

Наиболее эффективная очистка ОГ наблюдается при значениях коэффициента избытка воздуха а = 6...8.

Эксплуатационные испытания каталитического нейтрализатора осуществляли в хозяйствах Саратовской области на тракторах МТЗ -80/82 и ДТ-75М. Нейтрализатор устанавливали непосредственно на выпускную систему двигателя. Он выполнял дополнительно роль глушителя.

Эксплуатационные испытания показали, что после наработки трактором 1000... 1500 ч нейтрализаторы не снизили степень очистки. Основные характеристики (противодавление на выпуске, жизненный цикл катализатора) и эффективность очистки (по N0« —45...55% и СО — 60...75%) прак-

кВт

Рис. 3. Изменение перепада давления на центрапнзаюре (Ар) и степени очистки ОГ от Ы01 и СО (х, %) от загрузки дизеля Д-240

Рис. 4. Изменение степени очистки ОГ по МОх и СО (х, %) от коэффициента избытка воздуха (а) и перепада давления на нейтрализаторе (Ар) (дизель Д-240)

тически не изменялись на период испытаний. Также установлено, что концентрация N0« и СО в кабине трактора при использовании нейтрализатора

ОГ снизилась в 1,5 - 2 раза по сравнению с эксплуатацией без нейтрализатора. Использование каталитических нейтрализаторов разработанной конструкции практически не влияет на тсхнико - экономические показатели дизеля и значительно улучшает условия труда.

Вышеизложенное дает возможность прогнозировать безотказность и высокую работоспособность экспериментального нейтрализатора при длительной эксплуатации его на мобильной сельскохозяйственной технике.

6. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

Проведенные исследования позволили обосновать способ и разработать конструкцию каталитического нейтрализатора отработавших газов дизелей при эксплуатации мобильных сельскохозяйственных машин ( по-лож. решение о выдаче патента на изобретение № 95181838/06 (038636)).

Применение эффективной очистки отработавших газов повышает экологическую безопасность природной среды, улучшает условия труда механизаторов.

Снижение вредных выбросов при испытаниях экспериментального нейтрализатора в ряде хозяйств Саратовской области (АО "Маяк" Федоровского района, ТОО им. С.М. Кирова Калининского района и др.) составило по N0* — 45...55% и СО — 60...75%. В кабине трактора концентрация вредаых веществ уменьшиласьв 1,5-2 раза по сравнению с эксплуатацией сельскохозяйственной техники без нейтрализатора ОГ.

Расчетный годовой экономический эффект составил 93390 руб. (в ценах 1996 г.) на единицу мобильной сельскохозяйственной техники.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных источников и выполненных исследований установлено, что основным загрязнителем природной среды являлся автотракторный парк стр;шы, 11а долю которого приходится около 60'Уо вредных выбросов в атмосферу. В среднем автомобиль выбрасывает 100 г токсичных веществ, а выбросы в атмосферу продуктов сгорания при работе двигателей трактора достигают в РФ 5 млн т в год. Обоснована возможность снижения вредных выбросов применением.каталитических нейтрализаторов.

2. 11а основе сравнительной оценки конструкций каталитических нейтрализаторов и оптимизации их основных параметров были выявлены недостатки н раскрыты их потенциальные возможности. Установлено, что существующие нейтрализаторы не обеспечивают качественной очистки отработавших газов ДВС мобильной сельскохозяйственной техники, применение их сложно из-за конструктивных особенностей и изготовление их требует больших материальных затрат. В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований разработана, запатентована и испытана принципиально новая конструкция каталитического нейтрализатора отработавших газов (полож. решение о выдаче патента на изобретение № 95181838/06).

3. Путем применения математического моделирования с использованием прикладных программ ПЭВМ обоснованы оптимальные параметры каталитического нейтрализатора: диаметр нейтрализатора О = 0,09...0,105 м и длина засыпаемого слоя катализатора 1 = 0,12...0,14 м. Получена уточненная теоретическая зависимость для определения величины газодинамического сопротивления нейтрализатора, учитывающая движение ОГ в ядре потока и граничном слое.

4. Сравнительный анализ при стендовых испытаниях нейтрализатора на дизеле Д-240 показал, что разработанная конструкция каталитического

нейтрализатора обеспечивает стабильное снижение вредных выбросов по N0, до 50...60% и СО до 70...80%.

5. Установлено, что жизненный никл катализатора ( ннкельсодержа-щего) и его эффективность при испытаниях не снижались, а непосредственно нейтрализатор обеспечивал снижение уровня вредных выбросов в 1,2 -1,4 раза по сравнению с допускаемыми государственными стандартами.

6. Эксплуатационными испытаниями установлено, что использование каталитических нейтрализаторов данной конструкции практически не снижает техинко - экономических показателен дизеля. Основные характеристики (противодавление на выпуске, работоспособность засыпанного катализатора) и эффективность очистки (но ХО, — 45...55% и СО — 60...75%) практически не изменялись на период испытаний (1000-1500 часов). Это дает возможность прогнозировать их высокую работоспособность и эффективность при длительном использовании на мобильной сельскохозяйственной технике.

7. Па основе внедрения результатов данной работы в АО "Маяк" и ряде других хозяйств Саратовской области и, учитывая, что применение эффективной очистки отработавших газов повышает экологическую безопасность природной среды, улучшает условия труда механизаторов, расчетный годовой экономический эффект составит около 100 тыс. рублей на единицу мобильной сельскохозяйственной техники.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Сннженне токснчносто отработавших газов автотракторных дизелей: Тез. докл. науч.-тсхн.конф "Проблемы надежности, эксплуатации и ремонта машии" /КИСМ. Кировоград, 1994. С. 43 (соавторы Цыпцын В.И., Стрельников В.А.).

2. Снижение токсичности автотракторных дизелей путем применения каталитических нейтрализаторов //Механизация, организация и технология

производства: Сб. науч. работ /Сарат.с.-х. акад. Саратов, 1994. С. 85-88. (соавторы Стрелышков В. А., Истомин C.B.).

3. К проблеме снижения токсичности отработавших газов тракторных дизелей //Механизация, организация и технология производства: Сб. науч. работ / Сарат.с.-х. акад. Саратов, 1994. С. 80-84 (соавторы Цыпцын В.И., Стрельников В.А., Истомин C.B.).

4. Каталитический нейтрализатор для снижения токсичности отработавших газов автотракторных дизелей: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. "Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств" /СГТУ. Саратов,1995. С. 65-66 (соавторы Цыпцын В.И., Стрельников В.А., Истомин C.B.).

5. Термическая и каталитическая очистка отработавших газов дизелей // Технологическое формирование качества деталей при восстановлении и упрочнении: Межвуз. науч. сб. / СГТУ. Саратов, 1996. С.67-70 (соавторы Стрельников В.А., Цыпцын В.И., Истомин C.B.).

6. Каталитическая нейтрализация отработавших газов дизельных двигателей : Тез. докл. Всерос. конф. молодых ученых "Современные проблемы теоретической к экспериментальной химии". Саратов: Изд-во Сарат. у-та, 1997. С.39 (соавторы Стрельников В.А., Цыпцын В.И., Молина С.Е.).

7. Перспективы снижения токснчностн выхлопных газов автотракторных ДВС: Тез. докл. Российской науч.-практ. конф., посвящ. 200-летию Саратовской губернии, " Экология, здоровье и природопользование". Саратов: Сарат. с.-х. акад.,1997 (соавторы Цыпцын В.И., Михайлов В.В., Стрельников В.А. и др.).

Полгшсдмо к псчаги 20.11.97. Формат 60x84/1 ( Бумиа офсстна* Mil. Печать офсспий. Псч. л. 1,0 Тираж 100. Заказ ÏSS

Подразделят« оперативной полшрафш Сараювосого ЦНТИ, 410600,1. Саратов, ул. Вавилова 1/7.

С" /-

/ ' ^

/ ^

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РФ Саратовский государственный агроинженерный университет

На правах рукописи

Амельченко Вячеслав Александрович

'

СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЕЙ МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Специальность 05.20.03 - Эксплуатация , восстанов -ление и ремонт сельскохозяйственной техники

Д И С С Е Р Т А Ц И Я на соискание ученой степени кандидата

технкче ски ж наук

Научные руководители :

Доктор технических наук, профессор В.И.Цыпцын

Кандидат -технических наук, доцент В.А.Стрельников

Саратов - 1997 г.

диссертационная ра»ота состоит из введения и & глав, включает 123 страницы машинописного текста, рисунков 26 , таб© ^Гё ~~11 XI,» у ЛЖСХЖС?дЗ|М^л 34с СГ^^ййМ!^!« « ОЛг! СГ^лС МЧТГЛ Ч^Л

ключевые слова:

1=Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 2.Каталитический нейтрализатор (КН)

< Лгр-па А*п^д оштло ря / «"в У* \

В работе приведено теоретическое обоснование и рас» новных параметров каталитического нейтрализатора отработавших га -зов дизеля, Оптимизированы конструктивные , эксплуатационные и экологические параметры, даны результаты стендовых и эксплуатаци-

ч'дшш л 3г1 ч_ £ лхш а ъл, £xx -iv«. x b4.tas.a-a л. "xv v*. v 1 1 ¿г.? л. л ч..р ^гь.гдл-хз^'ги'

_ «ГлЪ» «"4X2 ЪЯ1¥ »*.>«*-л.» Г» С? ¿"V11 >ТЯ 33

гулч'Ла v.-5г1 ¿".£ ХЪАЛ 4 Л уц Ч-г 1 Л к

оудержалме

вввдвввк . . . ......

1.. состояние вопроса , цель и зщшчи мослбдовйймя, ... .

1.1, Состав и структура выбросов двигателей внутреннего сгорания = = „ = = Воздействие отработавшик газов ДВС из. природную среду =

1.3. Влияние вредных выбросов дизелей мобильной сель.....

екокозяп&ствснной текнижй на условие труда механизаторов , , = . „ . ^ ... , , ,

1 „ 4Механизм образования токсичныж компонентов в ци -яиндрак двигателя =

1.5- Методы оценки и нормирование токсичности двигателей

внутреннего сгорания .„„..„„.„..„..„. 32

1,8. Пути снижения токсичности ог ДВС 36

1.6.1. Снижение токсичности дизедя за счет совершенства

рабочего процесса 1.8 В Применение ажьтернативны ж видов топлмв и спецн -

мыя, присадок = - * ,. .. . . .. „ 39

1,6.3. Подача топлива на впуске ......................................^ . * _ 41

1.6 , л . Подача вод):.? в цилиндры: . ......42

1.6.5. йутм снижения вредных выбросов в отработавших газах дизелем при: эксплуатации = .. ., 44

1.6.6. Снижение токсичности ОГ путем применении ней --тралиэаторов я ... ^ . 48

1 ,7 , Выводи. йедъ и задачи исследования: 55

2 .. ТЕ0РВТ1ЧВСЕОЕ ОВОСНиВшшВ 1 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ параметров

2 = 1-. Сущность гидродинамических и тепяофизнческих процес -сов протекающие. в каталитическом нейтрализаторе при его

работе = . а , .... .... . 57

2.2. теоретические предпосылки к разработка оптимальной конструкции входной части нейтрала затора, (диффузора) .. , 60

2.3. Обоснование; и расчет параметров сетки-фильтра -..„„. 76

2.4. Расчет геометрических параметров конфузора .,.„...... 79

2.5. Расчет слоя катализатора ......., . . . 82

26 „ Определение полного газодинамического сопротивления

создаваемого каталитическмм нейтрализатором насыпного типа» 90

2.7. Расчет основные параметров каталитического нейтрализатора насыпного типа . .............................. — . . 92

2.8. Определение зависимости перепада давления от скорости движения потока газа в ядре и в пограничном слое нейтрализатора ........»..,.......,.,....,„...,....„.........,..,, 96

2.9. Выводы . . . ............................................. 98

3, оптимизация параметров катажтичесжого нейтрализатора

ог насыпного типа .................................... . . 100

3.1.Математическая модель оптимизации каталитиче ского нейтрализатора . ,......................................... . . . 100

3.2.Оптимизация основных параметров каталитиче ского нейтрализатора ........................................................ЮТ

3.3. Выводы.....................................................108

4, МЕТОДИКА тСШШШМЕШйлЬШМ ИССЛЕДОВАНИЙ .............. ..............110

4.1. Программа и структура исследований............ .............110

4.2. Общая методика исследований .......................... 110

4.3. 'Испытательный стенд и оборудование ................... 112

4,-4. тармровка и определение погрешности средств измерений . 119 4.5. Методика стендовый испытаний дизеля Д ~ 240 , снабженного нейтрализатором на. токсичность ..........................12.1

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЗКСИЕРИМЕНТЙЛЬЯШ. ИССЛЕДОВАНИЙ ..............122

5,1., Результаты стендовых испытаний........................ 122

Б.2. Результаты эксплуатационных испытаний ......................128

5.3. ....... .................................... 128

6. Ь-.' - - РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В СЕЛЬСКОХОЗЙЙСТВЕ'ЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

РАБОТЫ......... ..............................................130

ОБЩИЕ ВЫВОДЯ ..................................................................................133

ЛИТЕРАТУРА......................................................135

приложения ................................................. 145

Защита окружающей среды от вреднык выбросов промышленности и транспорта в настоящее время становятся по важности в один ряд с проблемами разоружения,борьбы с голодом на планете. Это заставляет вести интенсивные поиски путей снижения вредных выбросов / 1 /

Основными процессами, приводящими к повышенному загрязнению окружающей среды, являются те, которые связаны с получением энергии в различных формах. На автомобилях, тракторах, строительный и дорожных машинах источниками механической энергии являются двигатели внутреннего сгорания(ДВС). При эксплуатации ДВС выбрасывается в окружающую среду целый ряд вредных для человека веществ. Это приводит к тому, что в местах , где используются машины с ДВС, наблюдается повышенное загряз -некие воздуха, почвы и водоемов / 2 /,

В среднем один автомобиль выбрасывает 100 граммов токсичных веществ на каждый километр пробега/ 2 /»В крупных городах загрязненность атмосферы связана, преимущественно, с вредными выбро.....

сами автотранспорта, причем существенная доля отводится дизелям. Транспортные средства, на которых они установлены (городские автобусы, грузовые автомобили: КАМАЗ, МАЗ, КРАЗ, ЗИЛ и др„/коммунальный транспорт) работают во много раз больше по времени чем индивидуальными .В целом по России на долю автотракторной техники приходится около 60% вредных выбросов в атмосферу. Отсюда вопросам снижения токсичности ДВС в настоящее время уделяется пристальное внимание.

Выбросы в атмосферу вредных продуктов сгорания при рабо......

те двигателей тракторов достигают в РФ 5 млн.т в год. Аварийные и эк сп луа таци они о-те хи оя огиче скис разливы топливно-смазочны х материалов (до 200 тмсл} ежегодно приводят к загрязнению около 2 тыс, га пашни и к потери свыгое 3 млн. т продукции / 3 /,.

Количество вредных выбросов ЛВС зависит от многих факторов: типа двигателя, его конструктивных особенностей, техничес- • кого состояния, регулировок основных систем и механизмов,много-• численных эксплуатационных Факторов, Таким образом, проблема уменьшения загрязнения окружающей среды вредными выбросами ДВС является комплексной,

Существуют различные направления уменьшения количества токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) двигателей,Основ-нымявляется направление, связанное с изменениями конструкции двигателя и характера протекания рабочего процесса,а также с применением сложного электронного оборудования.

Другим направлением снижения токсичности ДВС является использование в качестве топлива природного газа, бензовод сводных смесей, биотоплива (рапсового масла и др.), спиртов и других веществ, продукты сгорания которых менее токсичны по сравнению с бензином и дизельным топливом *

Третьим направлением снижения токсичности ОГ является установка в выпускной системе двигателя каталити-• ческого, термического или жидкостного нейтрализатора* Наибольшее распространение получили каталитические нейтрализаторы, в которых токсические компоненты отработавших газов двигателя образуют в присутствии специальных катализаторов нетоксичные газы в результате химических реакций с кислородом, между собой или с другими газами.

Работы по уменьшению токсичных выделений транспортных м стационарнык ДВС ведутся многими зарубежными и отечественными фирмами и организациями „ .Наиболее известными своими работами в этом направлении зарубежными фирмами являются БОШ и БИВ (Германия), "Энгельгард" (США), НЕЖО (Франция), ФИАТ (Италия), РОВЕР (Англия), МИЦ¥БИСЙ, ТОЙОТА (Япония). Среди отечествешшх разработок необходимо отметить работы, выполненные научно- - исследо •

вателъским физико- химическим институтом им, Л „. Я * КарповаСЯИФХЙ), спецлабораторией автомобильных нейтрализаторов при министерстве автотранспорта (ДйНЭ), Центральны»« нау чн о- и с следовате яъ ским институтом машиностроения (1ШИИМ), научно- -исследовательским автомоторным институтом (НАШ), филиалом Владимирского научно.....исследователь ского конструктор «с о-технологического института двигателей (ФНМКТИД).

Замена в большой энергетике и в технологиях сгорания традиционных каменного угля и мазута природным газом на некоторое время улучшила эк ол огиче скую ситуацию, но не смогла полностью компенсировать рост валовых выбросов вследствие неуклонного развития транспорта, энергетики и промышленности /4 /.

Важную роль в этом играют дизели. На их долю приходится более 30% суммарной установленной мощности транспортные энергетических установок.Только судовые, тепловозные и промышленные дизели выбрасывают в год не менее 3 млн.т загрязнителей воздуха, главным образом оксидов азота, а также оксидов серы и углерода, углеводородов и сажи.

Основываясь на опыте США и Японии, которые первыми пошли по пути резкого ужесточения требований к "чистоте" автомобильного выхлопа, специалисты считают, что наиболее эффективно применение нейтра ли заторов отработавши ж газов, особенно трехкомпо-нентных С каталитически х конверторов), которые снижают выбросы окиси углерода, углеводородов и окислов азота / 5 /=

В настоящее время отмечено серьезное отставание отечест.....

венного двигателестроении от зарубежного в области разработки средств и методов снижения дымности отработавши ж газов дизелей

/ 6 /,Отсюда видна необходимость дальнейшего изучения вопросов, связанных со снижением выбросов дизелей.

Актуальность работы , В целом по России на долю автотрак •-

торной техники приходился около 60 % вредных .выбросов в атмосферу.

Это заставляет вести интенсивные поиски путей снижения вредных вы.....

бросов в отработавших газаж ( ОГ } ДВС,

Меры ,связанные с внесением существенных изменений в конструкцию двигателей ,а также применение альтернативны ж видов топлива потребуют серьезной перестройки отечественной промышленности ,сырьевой базы , вложения крупных инвестиций.

Поэтому на сегодняшний день наиболее эффективным и экономически приемлемым является установка в выпускной системе двигателя катали? ческого нейтрализатора. Актуальность работы подтверждается также тем, что она велючена в планы НИР СГДУ , являющиеся частые государственных и региональных научно - технических программ и постановлений Ш Рос --сийской Федерации.

Цель работы. Снижение токсичных выбросов дизелей мобильной сельскохозяйственной техники при эксплуатации путем совершенствования каталитической очистки отработавших газов.

Объект исследований .Тракторные дизели Д ..... 240, д ~ 242 и

А - 41 , оборудованные каталитическими нейтрализаторами отработавшиж газов.

Методика исследований включает использование современных методов и измерительных приборов. Для замера токсичных компонентов в ОГ дизеля использовался высокоточный газоанализатор " Testo ~ 350" (ФРГ), хроматограф для проведения спектрального анализа ОГ дизеля„Теоретичес -кие исследования выполнялись на основе известных положений, законов газовой динамики и данных физического эксперимента. Для обработки ре -зудътатов эксперимента и проведения оптимизации параметров нейтрализатора использовалась ПЭВМ "Pentium" и современные методы пространственной компьютерной графики.

Научная новизна диссертации заключается в разработке математм -ческой модели процессов , происходящих в катаяятическом нейтрализаторе

при работе две » на оеншот которой е уч@*том производственных , эке-плуатационны ж и экологиче оси х затрат оптимизированы основные-пара метры нейтрализатора, Определена зона оптимальных значений С и и со -четаний ) диаметра нейтрализатора и длины засыпки для определения ве личины гидравлического сопротивления , создаваем ого нейтрализатором на выпуске ( р ) , которая учитывает движение ОГ в ядре потока и граничном слое.

Практиче ска я ценность и пути реализации работы. Разработана конструкция каталитического нейтрализатора , которая защищен лоложительным решением на выдачу патента на изобретение N 95181838/08 (038838) от 28.12.98 г. Обоснованы параметры каталитического нейтрализатора ОГ .что позволяет свести к минимуму затраты на изготовление и эксплуатацию нейтрализатора , снизить токсичные выбросы 80х и СО на 50.... 70 %.

РБзультаты исследований могут быть использованы при эксплуата -ции мобильной сельскохозяйственной техники в агропромышленном комплексе, а также при проектировании нейтрализаторов для новых образцов мо&шяъшой техники,

Внедрение.Экспериментальные нейтрализаторы установлены на трак -торах МТЗ - 80 и ДТ ..... 75М и проходят эксплуатационные испытания в хозяйствах Саратовской области : ТОО им. Кирова Калининского района» Мокроусском ШШ , АО " Маяк " Федоровского района.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Теоретическое обоснование основных параметров нейтрализатора.

2. Математическая модель оптимизации эк сп луатаци они о- те хн о л оги.....

ческих показателей нейтрализатора„

3. Рекомендации по снижению токсичных выбросов дизелей и результаты внедрения в агропромышленном комплексе.

Апробация, Основные положения работы доложены» обсуждены и од о.....

бренн-

на научных конференциях профессорско-преподавательского с о ста.....

ва, научных работников и аспирантов СГАУ С г « Саратов,199d-lWê7 гг„);

- на Всероссийской конференции молодых ученых, г.,Саратов, СГУ, 1997 г.:

- на 3 Международной конференции "Экология. Экологическое образование, Нелинейное мышление", г.Воронеж, ВГУ, 1987 г,

- на 2 Всероссийской конференции молодых ученых , специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России, г, Москва , ГАНГ , 1997 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в семи публикациях«

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и и благодарность за совет« и помощь при выполнении настоящей 'работы кол

лективам кафедр " Гидравлика и гидравлические машины ", ** .Химии и био .....

логии с основами экологии " сгау и нии Химии СГУ.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Состав и структура выбросов двигателей внутреннего

сгорания

Автотракторный транспорт наряду с промышленностью - один из основных источников загрязнения атмосферы . Данные по выбросам в атмосферу некоторых веществ естественного промышленного происхождения представлены в таблице 1.1 / 7 /,

Таблица 1,1

Соотношения между естественным; и промышленным выделением вредных веществ в атмосферу

Компонент

природные выделения , т/год

Индустриальные

выбросы 3 т/год

окись углерода

="<|г --75,-т." о "1

«.-г ус г-.. пя

Пыль

Сернистый газ Двуокись углерода

* 10'

1,42"*-10 40

7*10

6,5*10

П у \ Й? "1 П

¡о

9

Несмотря на то, что естественное природное выделение ряда токсичных компонентов превышает промышленное , последнее в жизнедеятельности человека играет более заметную роль из-за локального загрязнения атмосферы в населенных пунктах и в районах выращивания сельхозпродукции растительного и животного происхождения. В высокоразвитых странах с высоким уровнем автомобилизации доля автотракторной техники в выбросе вредных веществ весьма высока (табл.1.2),

Таблица 1.Я

Доля источников .вредных выбросов в загрязнении атмосферы

Источники загрязнения Доля загрязнения атмосферы ( % ) в странак

С Ш а Англия Франция

Автомобильный транспорт в0,6 33,5 32

Промышленность и энергетические предприятия 30,3 35,0 28

Отопительные и прочие

системы 9,1 30,5 40

В России и ряде других стран доля автотракторного транспорта в загрязнении атмосферы составляет до 60%.Значительное увеличение производства автотракторной техники и идущая во всем мире дизелизация постепенно увеличивают долю автотракторных дизелей в общем балансе загрязнения атмосферного воздуха /7 /.

таблица 1,3 Состав отработавши к газов дизелей

Компоненты отработавших газов Содержание

В объемных процентаж Концентрация в г / м3 Удельные выбросы г/ кВт*ч

% 76...78

2...18

Пары НА0 0 3 5 ,,.4,0

СО 1. . . 10 0,25 ...,,2,5 1,5. . Л2,0

мох 0,0002...0,5 2. .. „ 8 , 0 10...30

СА 0 г009„..0,5 0,25.„,2,0 2,5...12,0

ЕСН (1. . .,9)Ж1СГ3 0,01«,,0,04 0, 6 ,. ... , и, 2

С и |2 (2. . . 5)*.10 (1. , ,

Сажа 0,01,-.1,6 0,25, .. ,6,0

К числу наиболее токсичных компонентов относятся оксиды азота N0 , углеводороды 0На и окись углерода СО.

К настоящему времени состав отработавших газов дизелей , насчитывающий более 1200 компонентов , изучен достаточно подробно /' 3 /'.Основные компоненты отработавших газов представ -лены в табл.7.3.

Дизели выбрасывают до одного процента сажи от расх