автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Снижение вредных выбросов дизелей при эксплуатации автотракторной техники

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Воздействие мобильной сельскохозяйственной техники на природную среду

1.2. Состав и степень токсичности компонентов ОГ дизеля

1.3. Образование токсичных веществ в ОГ дизеля

1.4. Оценка и нормирование вредных выбросов

1.4.1. Нормы на вредные выбросы дизелей

1.4.2. Методы и приборы для анализа токсичности ОГ

1.5. Методы снижения токсичности дизелей

1.5.1. Совершенствование конструкции и рабочих процессов ДВС

1.5.2. Применение альтернативных видов топлива

1.5.3. Очистка ОГ в выпускной системе

1.5.4. Влияние эксплуатационных факторов

1.6. Выводы. Цель и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В НЕЙТРАЛИЗАТОРЕ

ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ (НОГД)

2.1. Направление теоретических исследований

2.2. Выбор схемы НОГД и обоснование его конструкции

2.3. Структурная схема моделируемой системы

2.4. Тепловой баланс НОГД

2.5. Кинетика химических реакций, протекающих в НОГД

2.6. Теплообменные процессы в зоне блока концентрических экранов

2.6.1. Теплопередача в зоне блока концентрических экранов

2.6.2. Снижение тепловых потерь излучением

2.6.3. Снижение тепловых потерь конвекцией

2.7. Тепловая изоляция корпуса НОГД

2.8. Газодинамические процессы в НОГД

2.8.1. Разработка геометрических параметров входной части (диффузора) НОГД

2.8.2. Разработка геометрических параметров выходной части (конфузора) НОГД

2.8.3. Разработка конструкции реакторной части зона засыпки катализатора) НОГД

2.8.4. Разработка конструкции блока концентрических экранов НОГД

2.8.5. Общее газодинамическое сопротивление в НОГД 77 2.9. Математический анализ процессов, протекающих при стационарном режиме работы НОГД

2.11. Выводы

3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ НОГД

3.1. Постановка задачи параметрической оптимизации

3.2. Критерии качества конструкции

3.3. Результаты оптимизации параметров НОГД

3.4. Выводы

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Разработка программы исследований

4.2. Методика стендовых испытаний

4.3. Методика эксплуатационных испытаний

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Результаты стендовых испытаний

5.2. Результаты эксплуатационных испытаний

В связи с быстрым ростом производства автомобилей, мобильных и стационарных средств механизации, суммарные вредные выбросы в атмосферу от автотранспорта в России еще в 1992 году достигли 22 млн. т и постоянно возрастают [1, 2]. Ежегодно в нашей стране выделяется 130 кг токсичных выбросов на душу населения.

Среднегодовая интенсивность выпадения соединений серы и азота составила в 1991 году соответственно 8,9 млн. т и 6,7 млн. т. По данным Росгидрометцентра, только с 1991 по 1995 г. г., концентрации СО, NO2 и фенола в атмосферном воздухе возросли на 2.7%. Доля России в общемировых выбросах достигает 6.9% [3].

В настоящее время дизель является самым распространенным и перспективным двигателем, устанавливаемым на мобильной сельскохозяйственной технике.

При оценке экологической опасности дизеля особое внимание уделяют оксидам азота: их доля в суммарных выбросах составляет 30.80% по массе и 60.90% по эквивалентной токсичности [4, 5, 6, 7].

По существу, экологическое усовершенствование автотракторной техники сводится к очистке отработавших газов (ОГ). На практике основным путем остается метод экспериментальной апробации новых технических идей и технологий [1, 7, 10].

Основываясь на опыте развитых стран, которые постоянно ужесточают требования к количеству токсичных выбросов автомобилей и тракторов (с 2000 года введены нормы ЕЭК ООН - Евро III, а в американском штате Калифорния уже заявлено, что 10% всех автомобилей выпуска после 2002 года, должны быть с нулевой эмиссией [8, 9]), наиболее эффективным, хорошо зарекомендовавшим себя и самым экономичным средством снижения эмиссии является применение в выпускной системе дизеля нейтрализаторов ОГ и сажевых фильтров.

Проблему экологического совершенствования транспорта нельзя решить без государственного подхода, творческого объединения и координации усилий специалистов и организаций. Главным необходимым социальным условием начала активного процесса экологической оптимизации отечественной автотракторной техники должна стать незамедлительная разработка и принятие на федеральном и региональном законодательных уровнях нового закона с ужесточением экологических норм токсичности ОГ ДВС российского автотранспорта до уровня европейских стандартов [1, 2, 7].

Для удовлетворения жестких норм на вредные выбросы веществ при работе дизельного двигателя и, в первую очередь, для исключения выбросов твердых частиц и сажи требуется создание комплексных систем снижения токсичности [8, 10].

Актуальность работы. Вредное воздействие цивилизации на природную среду стимулирует весь комплекс экологических наук исследовать пути предотвращения загрязнения окружающей среды враждебными жизни химическими веществами.

Главным источником загрязнения атмосферы, безусловно, является автотракторная техника. В целом на нее приходится около 70% общего объема выбросов загрязняющих веществ. Это приводит к снижению урожайности, продуктивности животноводства, разрушению строительных материалов, повышенным концентрациям вредных веществ в кабинах тракторов и помещениях цехов. Поэтому очевидна необходимость разработки и внедрения эффективных устройств очистки отработавших газов (ОГ) с повышенным ресурсом работы, не снижающих топливно-экономические показатели двигателя. Это в настоящее время является одной из важнейших задач отечественного и зарубежного двигателестроения.

В данной диссертации теоретически обоснована и разработана конструкция нейтрализатора отработавших газов дизеля (НОГД), эффективно снижающего количество токсичных выбросов дизеля, практически не ухудшая его эксплуатационных показателей.

Цель работы. Снижение вредных выбросов дизелей при эксплуатации автотракторной техники за счет установки в выпускной системе дизеля нейтрализатора, уменьшающего концентрации токсичных компонентов ОГ.

Объект исследований. Тракторный дизель Д-240 и его модификации, оборудованные нейтрализатором ОГ дизеля.

Методика исследований. Основана на использовании современных методов и измерительных приборов.

Теоретические исследования велись на основании законов газовой динамики и тепломассообмена, современной теории многомерного статистического оценивания, данных физического эксперимента. Замер концентраций токсичных компонентов производился высокоточным газоанализатором «TESTO-350» (Германия), дымность регистрировалась дымомером «Смог-1». Математическое моделирование процессов, протекающих в НОГД, оптимизация конструктивных параметров и обработка результатов эксперимента проводились с помощью современного программного обеспечения и процессора «lntel Pentium III».

Научная новизна. Разработана математическая модель, комплексно описывающая кинетику химических реакций, процессы тепло- и массообмена, газодинамические процессы, протекающие в НОГД при его работе, позволившая обосновать основные параметры предложенной конструкции. Проведена оптимизация основных параметров НОГД с учетом затрат на производство, эксплуатацию и экологических выплат. Получено математическое выражение для расчета коэффициента газодинамического сопротивления конструкции с учетом последовательного анализа сопротивлений, создаваемых всеми ее элементами.

Практическая ценность и пути реализации работы. Разработана и испытана конструкция НОГД, устанавливаемого в выпускной системе дизеля Д-240, обладающая эффективностью практически независимо от наработки двигателя и позволяющая снизить концентрации токсичных компонентов на 30.60%, обладающая малым газодинамическим сопротивлением.

Предложенная конструкция НОГД защищена патентом РФ №2174184 от 27.09.01.

Результаты исследований, проведенных в данной работе, могут быть использованы на сельскохозяйственных предприятиях в системе АПК, эксплуатирующих мобильную технику, а также научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке нейтрализаторов для любых типов дизелей.

Внедрение. Экспериментальные нейтрализаторы установлены на тракторах МТЗ-80, МТЗ-82 и проходят эксплуатационные испытания в хозяйствах Саратовской области: ООО «Интеграл» и ОАО «Спектр» Лысогорского района.

На защиту выносятся следующие научные положения:

Теоретическое обоснование конструкции и математическая модель процессов, протекающих в НОГД; экспериментально-теоретическое обоснование оптимальных значений конструктивных параметров НОГД; методология оценки эффективности НОГД на различных режимах работы дизеля. 7

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского Государственного Аграрного Университета (1999.2001 г.г). Саратовского Государственного Технического Университета (2000 г.), на межгосударственных научно-технических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ», проводимых СГАУ им. Н.И. Вавилова (1999.2000 г.г).

Публикации. Основные положения данной диссертации опубликованы в 10 печатных работах общим объемом 3,2 п.л., в т.ч. 1,6 п.л. принадлежат лично соискателю. 6 печатных работ которых опубликованы в сборниках научных трудов, 1 работа опубликована в центральной печати.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений, содержит 15 таблиц и 50 рисунков. Список литературы включает в себя 100 наименований, из них 30 - на иностранных языках.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ новейших научных публикаций показал, что основным источником загрязнения атмосферы является автотракторная техника, оснащенная дизелями, выделяющая около 70% общего объема выбросов загрязняющих веществ. Изучение новейших методов снижения содержания токсичных компонентов в ОГ дизеля показало, что наиболее эффективным и экономически целесообразным методом, является применение в выпускной системе двигателя нейтрализатора совместно с сажевым фильтром.

2. Разработана математическая модель, комплексно описывающая газодинамические, химические, тепловые процессы, протекающие в нейтрализаторе, на основании которой проведена оптимизация конструктивных параметров с учетом затрат на производство, эксплуатацию и выплат за загрязнение воздушного бассейна.

3. Разработана конструкция нейтрализатора отработавших газов дизеля, выполняющего также и функции глушителя шума, защищенная патентом РФ №2174184.

4. Получены зависимости, позволяющие рассчитать газодинамическое сопротивление и перепад давления в НОГД с учетом его конструктивных параметров и изменения тепловых и химических процессов в его реакторе при эксплуатации. Это дает возможность создать конструкцию НОГД с минимальным газодинамическим сопротивлением.

5. Определены оптимальные значения важнейших конструктивных параметров НОГД в результате его оптимизации: длина слоя засыпки катализатора в зависимости от режимов эксплуатации Ц = 0,05.0,08 м, диаметр реакционной камеры Ор = 0,14 м.

6. Подтверждена эффективность и работоспособность разработанной конструкции НОГД по результатам стендовых испытаний и стабильность

119 показателей очистки ОГ дизеля в течение всего периода эксплуатационных испытаний. Степень нейтрализации (очистки) составила в среднем: СО -50.60%, М0х-30.40%, сажа-30. .40% .

7. Рассчитан годовой экономический эффект для трактора тягового класса 1,4 по эффективности очистки ОГ на различных режимах эксплуатации. По результатам внедрения в ООО «Интеграл» и ОАО «Спектр» значение экономического эффекта составило 288,11 руб.

1. Подчинок В.М., Усин В.В., Медведев Ю.С. Некоторые аспекты экологической безопасности автомобильных дизелей // Экология и промышленность России, 1998, №10.

2. Чем больше и мощнее ДВС мы будем производить, тем быстрее задохнемся без кислорода! // Автомобильный транспорт, №5, 2000. С. 3-8.

3. Методика и результаты оценки воздействия автомобильного транспорта на загрязнение окружающей среды региона крупного города (на примере города Москвы). М.: Прима-пресс. - 1997.

4. Истомин СВ. Совершенствование очистки отработавших газов дизелей сельскохозяйственной техники при эксплуатации / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов, 1998. - 171 с.

5. Амельченко В.А. Снижение токсичных выбросов дизелей мобильной сельскохозяйственной техники при эксплуатации путем совершенствования очистки отработавших газов / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов, 1997. - 180 с.

6. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. П.: Машиностроение. - 1972, 128 с.

7. Лупачев П.Д., Филимонов А.И. О загрязняющих атмосферу выбросах тракторов и самоходных сельхозмашин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1992, №4, С. 1-3.

8. Труды Евроконгресса в г. Аахене в 2 томах, 1384 стр. Automobile and Engine Technology, Eurogress, FEV-VKA, Aachen, 2000, 2 vol, 1384 p.p.

9. Стрельников В.А. Евро-4 шаги навстречу // Грузовое и легковое автохозяйство, №1 1, 2001.

10. Деменков Н.П. Отображение работы системы автоматической регенерации сажевого фильтра средствами Трейс Моуд // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2000, №7.

11. Recycling Technology for Metallic Substrates: a Cloced Cycle // SAE technical paper series 2000-01-0596.

12. Advancements in clear diesel engine technology toptec. -AAMA. -1 997.

13. The catalitic converter: technology for clean air. Clean Air Facts. - MECA, 1999.

14. Цыпцын В.И., Стрельников В.А., Легошин Г.М., Карпенков В.Ф., Гамаюнов П.П. / Методы и системы снижения токсичности отработавших15