автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение выбросов оксидов азота с отработавшими газами бензинового двигателя 4Ч9,2/8,6 в условиях эксплуатации автомобилей

005005926

Сивов Александр Александрович

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ 449,2/8,6 В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ

Специальности: 05.04.02 - Тепловые двигатели

05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Автореферат диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 2 ДЕК 2011

Санкт - Петербург 2011

005005926

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт - Петербургский государственный университет сервиса и экономики»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Александр Владимирович Боровиков Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Тамара Юрьевна Салова Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Анатолий Алексеевич Зуев - кандидат технических наук, доцент

Александр Александрович Бочков

Ведущая организация - Институт проблем транспорта имени Николая Степановича Соломенко. Российская академия наук

Защита состоится "23" декабря 2011 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.060.05 при Санкт - Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, Санкт - Петербург, Пушкин, Академический проспект, 23, ауд. 2.529. Факс (8-812) 465-05-05, электронный адрес: uchsekr@spbgau.ru

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан "23" ноября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационно д.т.н., профессор

В.Я. Сковородин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На данный момент в России и в мире сложилась крайне неблагоприятная экологическая обстановка, обусловленная тем, что деятельность человека формирует существенное превышение допустимых нагрузок на природные комплексы в частности, загрязнение воздушного бассейна отработавшими газами, а восстановление нарушенных геосистем происходит крайне медленно.

Поскольку большая часть вредного воздействия связана с эксплуатацией автомобильных двигателей, улучшение их экологических показателей является преобладающей тенденцией в развитии двигателестроения.

Существующие методы улучшения эксплуатационных и экологических показателей двигателей, направленные на совершенствование рабочего процесса и топливной аппаратуры двигателя, оснащение систем выпуска отработавших газов (ОГ) нейтрализаторами и другими антитоксичными устройствами, уменьшают выброс продуктов неполного сгорания - оксидов углерода, углеводородов, сажи, но приводят к росту содержания оксидов азота в ОГ, которые, являются не только наиболее токсичными веществами, но активными компонентами, способствующими образованию нитрозосоединений -канцерогенных веществ.

На современном этапе выполнение требований стандарта Евро - IV в эксплуатационных условиях без использования специальных мероприятий по снижению токсичности ОГ в процессе выпуска, не достигнуто еще ни одним из производителей двигателей. Актуальность решения данной экологической проблемы, в том числе снижение выбросов оксида азота путем разработки и использования нейтрализаторов ОГ, в настоящее время несомненна.

Целью работы является снижение выбросов оксидов азота с отработавшими газами бензиновых двигателей в условиях эксплуатации автомобилей, путем модернизации модуля нейтрализации оксидов азота отработавших газов.

В связи с поставленной целью были сформулированы следующие задачи.

1 Разработать модель и модернизированный модуль нейтрализации оксидов азота ОГ, позволяющие снизить концентрацию оксидов азота в ОГ и выполнение норм Евро-ГУ в условиях эксплуатации автомобилей.

2 Создать экспериментальную установку на базе двигателя 449,2/8,6 (ЗМЗ - 4062.10), оснащенную информационно-измерительным комплексом, обеспечивающую исследование работу модернизированного модуля нейтрализации оксидов азота ОГ.

3 Провести комплексные исследования по изучению влияния режимов работы двигателя ЗМЗ-4062.10 в условиях эксплуатации автомобилей на параметры модернизированного модуля нейтрализации оксидов азота ОГ.

4 Разработать нормативно-техническую документацию применения модернизированного модуля нейтрализации оксидов азота ОГ бензиновых двигателей и дать технико-экономическую оценку применения его на конкретных автомобилях.

Объект исследования. Двигатель ЗМЗ-4062.10, оборудованный модернизированном модулем нейтрализации оксидов азота ОГ.

Методы исследования основаны на применении современных способов измерений и приборов. В основу методик исследований положены основные законы газовой динамики, классической термодинамики, физико-химических процессов, экспериментальные и расчетные исследования с применением современной теории многомерного статистического анализа, математического моделирования.

Достоверность результатов исследований подтверждается согласованием теоретических положений и экспериментальных данных. Научную новизну работы представляют:

• термодинамическая модель процесса нейтрализации оксидов азота ОГ, учитывающая реальные условия эксплуатации автомобиля;

• математическая модель, позволяющая оценить влияние эксплуатационных режимов работы бензинового двигателя на степень восстановления оксидов азота ОГ в модернизированном модуле - нейтрализаторе.

Практическая значимость работы.

• Модернизирован и исследован модуль нейтрализации оксидов азота ОГ бензинового двигателя, позволяющий уменьшить выброс оксидов азота до нормируемых значений Евро-1У при эксплуатации автомобилей.

• Разработана нормативно-техническая документация применения модуля нейтрализации оксидов азота ОГ бензиновых двигателей при эксплуатации автомобилей.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготовке специалистов в области технической эксплуатации автомобилей Санкт- Петербургского государственного университета сервиса и экономики, Санкт- Петербургского государственного аграрного университета и переданы ОАО "Автомобильная корпорация «Гру-зомобиль»" для оценки токсичности выбросов бензиновых двигателей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены: на ежегодной международной научно-технической конференции «Энергетика предприятий АПК и сельских территорий: состояние, проблемы и пути решения» в СПбГАУ, 2010, 2011, научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника» СЗНИИМСХ 2011, международной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы теории, практики и подготовки кадров» 2011 Челябинск, межвузовской научно-технической конференции БГАУ «Энергообеспечение и энергосбережение на предприятиях АПК» 2011, международной научно-практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствование технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ», 2011.

По теме исследований опубликовано 6 статей, в том числе две в изданиях ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя: введение, 5 глав, заключение, список литературы. Содержит 112 страниц основного текста, в том числе 43 рисунка, 26 таблиц, список использованных источников из 90 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и цели исследований, изложена научная новизна и практическая значимость работы, а также основные положения выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ известных результатов исследований, связанных с вопросами уменьшения негативного воздействия автотранспортных двигателей на окружающую среду. Приведены данные, позволяющие оценить состав вредных веществ ОГ двигателей, их влияние на человека и на окружающую природную среду, эффективность способов борьбы с вредными выбросами ОГ.

Большой вклад в данном направлении внесли отечественные учёные: Я.Б. Зельдович, В.И. Смайлис, H.H. Семёнов, Р.И. Жегалин, В.В. Горбунов, A.M. Сайкин, В.А. Звонов, П.Д. Лупачёв, A.B. Николаенко, Р.В. Малов, В.З. Махов, В.Н. Луканин, С.К. Корабелъников, В.А. Лиханов, И.И. Габитов, Т.Ю. Салова, и другие.

Анализ отечественных и зарубежных исследований в области снижения токсичности ОГ автотранспортных двигателей позволил сделать следующие выводы.

Существующие методы борьбы с вредными выбросами ОГ двигателей внутреннего сгорания имеют ряд недостатков, что препятствует их широкому применению. Рассмотренные мероприятия, заключающиеся в дополнительной физико-химической обработке потока ОГ в процессе выпуска, имеют большую эффективность по сравнению с мероприятиями, воздействующими на рабочий процесс, но при этом мало эффективны для восстановления оксидов азота, которые относятся к наиболее высокому классу токсичности.

Во второй главе представлено моделирование и исследования процессов нейтрализации оксидов азота ОГ двигателя в условиях эксплуатации автомобилей,

В условиях эксплуатации автомобильные бензиновые двигатели большую часть времени работают на неустановившихся режимах, поэтому для оценки токсичности выброса автомобилей применяются ездовые циклы: простой городской и внегородской. Неустановившиеся режимы разгонов автомобиля заменяются установившимися режимами испытаний на нагрузочном стенде, определяемые по методике, разработанной МАДИ-ТУ. Режимы принудительного холостого хода заменяются режимом холостого хода с повышенными оборотами коленчатого вала двигателя. Количество эквивалентных режимов определяется исходя из анализа графика ездового цикла. Измерив концентрации вредных веществ в ОГ на эквивалентных режимах работы двигателя, оценивается уровень пробеговых выбросов автомобиля (рис. 1).

СО СН 1\1ох

Рис. 1 - Уровень пробеговых выбросов автомобиля ГАЗ 3110

Таким образом, как показали исследования, выбросы токсичных компонентов на переходных режимах работы автомобиля - режимы разгонов по ездовому циклу, превышают в 2 ... 2, 5 раза значения этих компонентов на установившихся режимах. Снижение выбросов наиболее токсичного компонента отработавших газов (ОГ) - оксидов азота, возможно применением систем очистки ОГ - нейтрализаторов.

Для оценки эффективности работы модуля - нейтрализатора оксидов азота ОГ разработана термодинамическая модель восстановления NOx, которая представляет собой решение задачи поиска экстремальной концентрации оксидов азота для состава реагентов системы Dn 00

IN» 02, Н20, СН, СН2, NH, Шг, NO, N02, С, СО, С02, NH3], граф модели восстановления оксидов азота. Для любого вектора - состояния системы, выполняется уравнение баланса масс

0)

JSJ

где у) - множества веществ, выраженные через элементы С, Н, О, N; о, - количество элементов С, Н, О, N в веществах, которое определяется величиной топливно-воздушной смеси для режимов городского цикла, имитирующих условия эксплуатации автомобилей.

Для составления материального баланса термодинамической системы Dn (Y) п веществ У), где j = {1 ... 13}, и т элементов Х„ где г = {1 ... 4} так, что любое j вещество }j состоит только из i элементов Х\ с учетом их стехио-метрических коэффициентов (а,;). Материальный баланс представляется многоугольник, где ограничения устанавливаются по четырем элементам (рис. 2)

0,0769у6 + 0,25у7 + 0,111у8 + 0Д765у9 +0,0667у12 +0Д25у13 <1,0007 уЗ + 0,4286у4 + 0,273у5 + 0,9231у6 + 0/75у7 <0,0027 у2 + 0,571у4 +0,727у5 + 0,889у8 + 0,533у10 +0,696у11 <20,9993 ^ >'

yl + 0,8235у9 + 0,4667у10 + 0,304у11 +0,9333у12+ 0,875у13 <77,9973

Система уравнений (2) решается линейным программированием симплекс методом с применением программы MS Excel, задавая последовательно значения целевой функции, как максимальный выход каждого из веществ Yj.

В результате расчета получен массив данных в виде множеств Yt, позволяющий построить многоугольник материального баланса (рис. 2). Были также рассчитаны составы промежуточных множеств, расположенных на линиях - гранях многоугольника и линиях - хордах, соединяющих узлы многоугольника и его центр. Таким образом, на многоугольнике материального баланса веществ определен разрешимый уровень взаимопревращений компонентов, составляющих систему D\ (Y).

8

При моделировании и расчете используется условие выпуклости функции Гиббса на многоугольнике ограничений материального баланса, минимальное значение функции Гиббса соответствует равновесному состоянию системы. Задание исходного вектора состояния системы определяет начальные условия решения задачи, от которых зависит область термодинамической доступности.

Устойчивое равновесное состояние системы определяется исследованием изменения значений функции Гиббса Ф/, которое рассматривается при неизменных внешних условиях - температуры, давления. Величина температуры ОГ определяется по результатам расчетов характеристик режимов городского цикла, имитирующих условия эксплуатации автомобилей. Для определения равновесного состояния системы, полученные результаты расчета поверхности функции Гиббса исследуются на существование экстремума. Построенная поверхность функции Гиббса (рис.2) имеет локальные минимумы, например: Ф(г3) = -346* 104 Дж/кмоль {N0}; Ф(г4) = -336*104 Дж/кмоль {Ы02}; Ф@7) = -237* 104 Дж/кмоль {02}. Каждому минимуму соответствует скорость убывания значения функции Гиббса или градиент функции Гиббса = что определяет наиболее вероятное развитие процессов восстановления оксидов азота - <рг3 = 1,04, <рг7 = 1,01 (рис. 2, 3). Вероятность развития процесса в направлении множеств и 2у отличается незначительно, то есть возможно развитие процесса в направлении множеств и . Соотношение концентраций множеств Ъ^ и Ът, определяет в конечном итоге время и эффективность процесса нейтрализации, для любого возможного исходного состояния Ту. Исходное состояние системы Ъу расположено в области множеств 24 {N02}, {N0} и определяется заданным значением концентрации N113, то есть значением функции Гиббса Фк = -308*104Дж/кмоль. Тогда равновесное состояние системы Ър смещается в направлении множества Ъп и состав Ъ? следующий: N2 = 75%, 02 = 17,97%, СО = 0,01%, С02 = 3,61, СН =

4,41%. Достижимость равновесного состояния определяется временем и условиями процесса нейтрализации.

Развитие процесса восстановления в направлении множеств .. .{г^} практически не имеет ограничения, поэтому возможно состояние локального равновесия, то есть смещение равновесного состояния —* 7.р1. Состав множества изменится, и в ОГ будет присутствовать остаточное количество оксидов азота равное, приблизительно 3,4 % от общего количества ОГ.

-219,4 N02.

Рис. 2 Изменение функции Гиббса (значения функции *104 Дж/моль) на многоугольнике материального баланса

Таким образом, разработанная термодинамическая модель нейтрализации оксидов азота, показывает, что эффективность нейтрализации значи-

10

тельно возрастает при многократной рециркуляции ОГ и небольших значениях восстановителя. Предложенная модель нейтрализации оксидов азота ОГ позволяет учитывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля.

4 6 8 ю

состав множеств, Z,/10

Рис.3 Значения градиента функции Гиббса для состояний системы - множеств с максимальным значением веществ {NH}; {N0},...,{02}

В третьей главе приводятся основные методики экспериментальных исследований, объект исследования, экспериментальная установка и измерительно-регистрирующая аппаратура. Исследования проводились с использованием экспериментальной базы «Автотранспортный и электромеханический колледж администрации Санкт- Петербурга».

Исследования двигателя 3M3-4062.I0 проводились согласно ГОСТ 14846-81 с использованием обкаточно-тормозного стенда BOSCH LPHY (рисунок 4, 5). Методикой предусматривалось проведение исследований работы двигателя на режимах эквивалентных режимам ездового цикла ГОСТ Р 41.83 - 2004 с установленным нейтрализатором оксидов азота.

Для оценки изменения концентрации оксидов азота в ОГ на эквивалентных режимам ездового цикла был проведен трехфакторный эксперимент, реализующий почти рототабельный план Бокса-Бенкина второго порядка, минимизирующий число опытов при одновременном варьировании изучаемых факторов.

Рис. 4 Нейтрализатор оксидов азота ОГ 1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 -выходной патрубок; 4 - ребра жесткости; 5 - смесительная камера; 6 - корпус смесительной камеры; 7 - цилиндрический кольцевой канал; 8 - суживающееся сопло; 9 - кольцевое сечение; 10 - трубка подачи газа-восстановителя; 11 - трубка противодавления; 12 - электромагнитный клапан

системы подачи

Рис. 5 - Обкаточно-тормозной стенд BOSCH LPHY: 1 - двигатель ЗМЗ - 4062.10,

2 - гидравлический нагрузочный стенд Bosch LPHY, 3 - ПК, 4 - измеритель - регулятор микропроцессорный, 5 - газоанализатор BOSCH ESA 3.250, 6 - нейтрализатор ОГ.

В четвёртой главе приведены результаты исследований двигателя ЗМЗ -4062.10 (рис. 6 - 14), позволяющие установить зависимость изменения концентрации оксидов азота ОГ бензинового двигателя в условиях эксплуатации автомобиля.

Из анализа представленных результатов исследований следует, что

концентрация оксидов азота в ОГ возрастает и достигает максимума 3500

ррт при значении температуры ОГ в пределах 600 °С, что соответствует мак-

12

''IIP«

ш / 11 у 4

ш

1 .. 11И11

ШШЕ1

Ш1111

симальной нагрузке двигателя (рис. 6 - 7). Таким образом, установлено, что в диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя ЗМЗ - 4062.10 (от 4000 мин"' до 5200 мин"1) значения концентрации оксидов азота в ОГ составляют 1000 ... 2500 ррт, что значительно превышает допустимые нормы. Установленные закономерности изменения концентрации оксидов азота в ОГ, показали, что необходимо исследовать процесс нейтрализации оксидов азота ОГ в зависимости от температуры ОГ (нагрузки двигателя), частоты вращения двигателя.

0 1800-2000 О 800-1000

□ 1600-1800 □ 600 803 ...

;; 14оо-1боо ■! 400-600.......

:.:; 1200-1400 : 200100 •• •

:; Ю00-1200

• о<мзо

Рис. 6 Зависимость выброса Шх от нагрузки и температуры ОГ, при п - 4000 мин"1

На режимах эквивалентных городскому и внегородскому циклов, имитирующих условия эксплуатации автомобилей, определены значения токсичности выбросов ОГ, по которым можно оценить действительную концентрацию, в том числе оксидов азота в ОГ при работе двигателя в режимах разгона (рис. 8, 9).

О 2000-2500

2000

I 1000

£31500-20р0 , 01000-1500

О 500-1000 00-500

Рис. 7 Зависимость выброса №)х от нагрузки и температуры ОГ, при п = 5200 мин"1

Рис. 8 Зависимость выбросов 1ЧОх от частоты вращения и развиваемого кру> тящего момента (городской цикл) частота вращения от 1700 мин 1 до 3000 мин"1 для двигателя ЗМЗ - 4062.10

1200-1400 1000-1200

200-400 □ 0-200

Мкр, Н*м

Значения концентрации оксидов азота, при эксплуатации автомобиля в городских условиях, составляют от 260 до 2100 ррт, в зависимости от режима движения и времени разгона, что в 2 - 2,5 раза больше, чем на установившихся режимах. Данная концентрация недопустима, велика и при эксплуата-

ции автомобилей приводит к загрязнению окружающей среды и превышению существующих предельно допустимых норм выброса.

Рис. 9 Зависимость выброса КОх от частоты вращения и развиваемого крутящего момента (внегородской цикл), частота вращения от 1700 мин" до 3500 мин"1 для двигателя ЗМЗ - 4062.10 Оптимальные значения максимально возможного восстановления оксидов азота при различных значениях времени разгона были определены по результатам проведения трехфакторного эксперимента (рис. 10, 11). За основные факторы, влияющие на величину оксидов азота в ОГ приняты: частота вращения коленчатого вала двигателя (X)), нагрузка (Х2) и время режима разгона (Х3). По результатам исследований были получены уравнения регрессии - зависимости изменения концентрации оксидов азота в ОГ от выше названных факторов. При исследовании работы модернизированного модуля-нейтрализатора в результате канонического преобразования уравнение регрессии имеют вид

у - 433,93 = 94,692X1 + 423,308Х| Х1 = 0 у - 412,39 = 72,468*1 + 100,032*| Х2 = 0 у - 382,49 = 67,461Х\ + 433,289*1 Х3 = 0

Полученные результаты уменьшения количества N0* в ОГ, подтверждают расчетно-теоретические исследования, рассмотренные в главе 2. В

модернизированном модуле нейтрализации Ж)х организован многократный ступенчатый процесс взаимодействия оксидов азота и углеводородных радикалов с восстановителем.

0.4000,000-5000,000 Р 1000,000-2000,000

5000,000 " 4000,000 i 3000,000 2000,000 1000,000

□ 3000,000-4000,000

□ 0,000-1000,000

О 2000,000-3000,000

Л^Ш" ■ " ......."......

.....,

0,000 ><><

.....~

У

-0,4

о

t

.... ,, ,. 7/ 2,8

Щ/А

/7/ 2

1,6

XI

0,4 У 12

0,8 ■ ■<-.. / / 1,2 ' " -••/ 0,8 1,6

Рис. 10 Зависимость изменения концентрации оксидов азота ОГ от времени режима разгона и нагрузки при частоте вращения Xi=0 (п = 3480мин"') двигателя ЗМЗ-4062. Ю

Р 800,000-1000,000 0 600,000-800,000 D 400,000-600,000

/итг...........

/, НЗт

/■ у /ШШ*

1000,000 800,000 600,000 > 400,000 200,000 0,000

ж

W//: .// / / -0.

к ! .....-0,6

1,4

/ 7/ / / •.' •.,' / ,/ / /

1 0,6

0,2

9 о

хз

Рис. 11 зависимость изменения концентрации оксидов азота ОГ от времени режима разгона х3 и частоты вращения хь при нагрузке х2=0 (Ре = 50%) двигателя ЗМЗ - 4062.10

Полученное, по результатам экспериментальных исследований уравнение регрессии, позволяет определить оптимальное соотношение времени разгона, нагрузки двигателя и скоростного режима при максимально-эффективном восстановлении NOx ОГ. Общее решение системы уравнений с целью минимизации выхода оксидов азота (с учетом стандартов EURO) имеет вид: время цикла разгона 18<тц<26с, частота вращения двигателя 2400<п<3000мин"\ нагрузка 30<Ре<67%.

В главе пять приведены рекомендации по эксплуатации модернизированного модуля нейтрализации оксидов азота ОГ. Подача восстановителя осуществляется из расчета поддержания оптимальной скорости подачи (1 мг/мин) в восстановительную камеру. Нейтрализатор устанавливается не далее 500 мм от двигателя и эксплуатируется при температурах ОГ выше 400 °С, то есть подача восстановителя осуществляется автоматизировано по средством электромагнитного клапана - дозатора 2W21. При достижении заданной температуры, термопара ТХК 008 подает сигнал к микропроцессорному измерителю - регулятору ТРМ - 1, который в свою очередь открывает электромагнитный клапан, вследствие чего происходит подача восстановителя в нейтрализатор оксидов азота ОГ.

Резервуар для восстановителя смонтирован и прикреплен в подкапотном пространстве на стенке моторного отсека. Для защиты от температурных перепадов резервуар покрыт теплоизоляционным материалом «Mascoat». Резервуар имеет емкость один литр, обеспечивает пробег автомобиля около 5000 км. Годовой экономический эффект от применения разработанного модуля нейтрализатора оксидов азота ОГ составляет 2570 рублей на один автомобиль. Срок окупаемости данного средства составит 2 года.

Основные результаты и выводы по работе

1 Разработанная термодинамическая модель нейтрализации оксидов азота показывает, что эффективность нейтрализации значительно возрастает

при многократной рециркуляции ОГ и небольших значениях восстановителя.

17

Предложенная модель нейтрализации оксидов азота ОГ позволяет учитывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля.

2 Разработан модернизированный модуль нейтрализации оксидов азота ОГ, позволяющий снизить выброс оксидов азота до 65% на неустановившихся режимах и выполнить нормы Евро - IV в условиях эксплуатации автомобилей.

3 Исследованиями по изучению влияния режимов работы двигателя в условиях эксплуатации автомобилей на параметры модуля нейтрализации оксидов азота ОГ установлена оптимальная область изменения параметров: частота вращения двигателя 2400<п<3000 мин"1, время цикла разгона 1&<хц<26 с и нагрузка 30<Ре<67%, обеспечивающая минимальный выход оксидов азота и выполнение стандартов Евро - IV.

4 Разработана нормативно-техническая документацию применения модуля нейтрализации оксидов азота ОГ бензиновых двигателей, реализация, которой позволит выполнение норм Евро-IV при эксплуатации автомобилей. Годовой экономический эффект от применения модернизированного модуля нейтрализатора оксидов азота ОГ составляет 2570 рублей на один автомобиль.

Основные положения диссертации опубликованы:

Издания из перечня ВАК России

1. Сивов A.A., Методика исследования двигателя ЗМЗ - 406.2 на неустановившихся режимах работы / Боровиков A.B., Салова Т.Ю., Сивов A.A. //Известия СПбГАУ. - 2011, № 23, С. 421-428.

2. Сивов A.A., Снижение токсичных выбросов автотранспортных двигателей/ Салова Т.Ю., Сивов А.А.//Известия международной академии аграрного образования. СПбГАУ. - 2011, №12, С.57- 59

Научные статьи

3. Сивов A.A. Нормирование токсичных выбросов автотранспортных двигателей /Салова Т.Ю., Сивов A.A. //Сб. научных трудов «Проблемы

энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий» СПбГАУ. -2011 г.

4. Салова Т.Ю., Корабельников С.К., Сивов A.A. Токсичность отработавших газов на неустановившихся режимах работы автомобильных двигателей. Мат. 6-й научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника», т.2 /Экологические аспекты производства продукции растениеводства, мобильной энергетики и сельскохозяйственных машин. СПб.: СЗНИИМЭСХ, 2011 г.

5. Сивов A.A. Исследование показателей работы нейтрализатора оксидов азота бензинового двигателя в условиях эксплуатации автомобиля по городскому циклу./ Сивов A.A.// Сб. науч. стат. аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы технико-технологического и социально-экономического обеспечения сферы сервиса» СПбГУСЭ. -2011, №2

6. Сивов A.A., Исследования двигателя ЗМЗ - 406.2 на неустановившихся режимах работы. "Технико-технологические проблемы сервиса" СПбГУСЭ.-2011, №4.

Подписано в печать 16.11.2011 Формат 60 х 90 V« Печать трафаретная. 1,0 усл. печ. л. Тираж 100 экз.

_Заказ № 13/13/11_

Отпечатано с оригинал-макета заказчика в НП «Институт техники и технологий» Санкт-Петербург-Пушкин, Академический пр., д.31, ауд. 715

Введение.

Глава 1. Сравнительный анализ современных методов и средств снижения вредных выбросов автомобильных двигателей.

1.1. Состав отработавших газов автомобильных двигателей и степень их воздействия на окружающую среду.

1.2 Оценка степени загрязнения окружающей среды токсичными компонентами.

1.3 Нормирование токсичности вредных выбросов двигателей.

1.4 Методы и средства направленные на улучшение экологических показателей двигателей.

1.5 Способы и технические решения, применяемые для восстановления оксидов азота.

1.6 Выводы и задачи исследования.

Глава 2. Моделирование и исследование процессов нейтрализации оксидов азота отработавших газов бензиновых двигателей в условиях эксплуатации автомобилей.

2.1 Исследование режимов работы автомобиля в условиях эксплуатации.

2.2 Моделирование процесса нейтрализации оксидов азота отработавших газов двигателя в условиях эксплуатации автомобилей.

Глава 3. Методика экспериментальных исследований и применяемое оборудование.

3.1 Общая методика экспериментальных исследований.

3.2 Объект исследований, экспериментальная установка, измерительная аппаратура.

3.3 Методика исследований параметров работы двигателя и нейтрализатора

3.4 Методика исследований эксплуатационных показателей двигателя ЗМЗ - 4062.10 при установке нейтрализатора оксидов азота.

Глава 4 Результаты экспериментальных исследований показателей работы нейтрализатора оксидов азота в условиях эксплуатации.

4.1 Исследование показателей работы двигателя ЗМЗ - 4062.10.

4.2 Исследование показателей работы нейтрализатора оксидов азота при эксплуатации автомобиля.

4.3 Оптимизация параметров работы нейтрализатора и повышение эффективности восстановления оксидов азота.

Глава 5. Нормативно-техническая документация и экономическое обоснование внедрения нейтрализатора оксидов азота.

5.1 Нормативно-техническая документация по применению нейтрализатора оксидов азота.

5.2 Экономическое обоснование внедрения нейтрализатора оксидов азота

ВЫВОДЫ.

На данный момент в России и в мире сложилась крайне неблагоприятная экологическая обстановка, обусловленная тем, что деятельность человека формирует существенное превышение допустимых нагрузок на природные комплексы в частности, загрязнение воздушного бассейна отработавшими газами, а восстановление нарушенных геосистем происходит крайне медленно.

Поскольку большая часть вредного воздействия связана с эксплуатацией автомобильных двигателей, улучшение их экологических показателей является преобладающей тенденцией в развитии двигателестроения.

Существующие методы улучшения эксплуатационных и экологических показателей двигателей, направленные на совершенствование рабочего процесса и топливной аппаратуры двигателя, оснащение систем выпуска отработавших газов (ОГ) нейтрализаторами и другими антитоксичными устройствами, уменьшают выброс продуктов неполного сгорания - оксидов углерода, углеводородов, сажи, но приводят к росту содержания оксидов азота в ОГ, которые, являются не только наиболее токсичными веществами, но активными компонентами, способствующими образованию нитрозосоединений -канцерогенных веществ.

На современном этапе выполнение требований стандарта Евро - IV в эксплуатационных условиях без использования специальных мероприятий по снижению токсичности ОГ в процессе выпуска, не достигнуто еще ни одним из производителей двигателей. Актуальность решения данной экологической проблемы, в том числе снижение выбросов оксида азота путем разработки и использования нейтрализаторов ОГ, в настоящее время несомненна.

В связи с этим целью данной работы является снижение концентрации выбросов оксидов азота с отработавшими газами бензиновых двигателей в условиях эксплуатации автомобилей, путем модернизации модуля нейтрализации оксидов азота ОГ.

Научную новизну работы представляют:

• термодинамическая модель процесса нейтрализации оксидов азота ОГ, учитывающая реальные условия эксплуатации автомобиля;

• математическая модель, позволяющая оценить влияние эксплуатационных режимов работы бензинового двигателя на степень восстановления оксидов азота ОГ в модернизированном модуле - нейтрализаторе.

Практическая ценность работы:

• Модернизирован и исследован модуль нейтрализации оксидов азота ОГ бензинового двигателя, позволяющий уменьшить выброс оксидов азота до нормируемых значений Евро-1У при эксплуатации автомобилей.

• Разработана нормативно-техническая документация применения модуля нейтрализации оксидов азота ОГ бензиновых двигателей при эксплуатации автомобилей.

выводы

1. Исследованием современных методов и способов снижения содержания наиболее токсичного компонента ОГ автомобильных двигателей -оксидов азота, установлено, что наиболее эффективным и экономически целесообразным способом является применение внешней физико-химической очистки ОГ.

2. Разработан модернизированный модуль нейтрализации оксидов азота ОГ, позволяющий снизить выброс оксидов азота до 65% на неустановившихся режимах и выполнить нормы Евро - IV в условиях эксплуатации автомобилей.

3. Экспериментальными исследованиями системы нейтрализации в составе двигателя ЗМЗ - 4062.10 подтверждена целесообразность внедрения разработанного устройства нейтрализации оксидов азота ОГ энергетических установок, обеспечивающего перспективные нормы токсичности. Разработанная система нейтрализации обеспечивает эффективную очистку ОГ от оксидов азота - степень восстановления до 80-90%.

4. Исследованиями по изучению влияния режимов работы двигателя в условиях эксплуатации автомобилей на параметры модуля нейтрализации оксидов азота ОГ установлена оптимальная область изменения параметров: частота вращения двигателя 2400<п<3000 мин"1, время цикла разгона 18<тг/<26 с и нагрузка 30<Ре<67%, обеспечивающая минимальный выход оксидов азота и выполнение стандартов Евро - IV.

5. Разработана нормативно-техническая документацию применения модуля нейтрализации оксидов азота ОГ бензиновых двигателей, реализация, которой позволит выполнение норм Евро-ГУ при эксплуатации автомобилей. Результаты исследований внедрены в учебный процесс СПб ГУСЭ, и переданы ОАО "Автомобильная корпорация «Грузомобиль»" для оценки токсичности выбросов бензиновых двигателей. Годовой экономический эффект от применения модернизированного модуля нейтрализатора оксидов азота ОГ составляет 2570 рублей на один автомобиль.

1. Абрамович Г.Н Прикладная газовая динамика. - М. - 1969. - 824с.

2. Анциферов В.Н., Макаров A.A., Ханов A.M. Экологические технологии: высокопористые ячеистые материалы в каталитических технологиях очистки газов / Инженерная экология. 2003. - №3. - С.20-25.

3. Анализ технического уровня ДВС. вып.26 / Под ред. Давтяна Р.И.- М.:Информцентр-НИИД. 1998. - 115 с.

4. Балацкий О.Ф. Экономика чистого воздуха. Киев: Навукова думка, 1979.-295 с.

5. Битколов Н.З. Жидкостные нейтрализаторы дизельного выхлопа двигателей / Токсичность двигателей внутреннего сгорания и пути ее снижения: Доклады участников симпозиума. М.: Наука. - 1966. - С. 229-266.

6. Бордуков В.Т. Стандарты и нормы по эмиссии вредных веществ / Двигателестроение. 2003. -№1. - С. 37-40.

7. Бордуков В.Т. По страницам зарубежных изданий. Нормы (стандарты) эмиссии Япония // Двигателестороение. - 2003. - №2. - С.39 - 56.

8. Бобров Л.Н., Носков A.C., Матрос Ю.Ш., Славинская Е.М. Селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком в нестационарном режиме // Химическая технология. Киев. - №5. - 1989. - С. 8085.

9. Боровиков A.B., Салова Т.Ю., Сивов A.A. Методика исследования двигателя ЗМЗ 406.2 на неустановившихся режимах работы / //Известия СПбГАУ. - 2011, № 23, С. 421-428.

10. Воробьев-Обухов А.Н. Евро с большой буквы // За Рулем. 2005.- №8. С.200 - 205.

11. Валге A.M. Обработка экспериментальных данных и моделирование динамических систем при проведении исследований по механизации сельскохозяйственного производства. СПб.: СЗНИИМЭСХ. - 2002. - 176 с.

12. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей // Под ред. В.Н. Лазарева. В Зт. JL: Химия. 1976. С.198.

13. Гзовский М. Твердый курс евро // За Рулем. 2002. - №5. - С.7677.

14. Гнатюк Е.В., Жуков Г.И., Максимова A.A. Исследование жидкостного нейтрализатора НЖ-180 с двигателем ЯМЗ-238 // Двигатели внутреннего сгорания. Омск. - 1974. - С. 85-96.

15. Горбунов В.В., Патрахальцев H.H. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие. -М.:Изд-во РУДН, 1998. 214с.

16. Гриневич В.И., Иванова Н.В., Костров В.В. Экологические технологии: использование низкотемпературной плазмы для очистки отходящих газов // Инженерная экология. 2002. - №2. - С.38-43.

17. Грехов JI.H. Революция с воспламенением от сжатия. Топливная аппаратура нового поколения // За Рулем. 2002. - №10. - С.64-66.

18. Грехов JI.B., Марков В.А., Павлов В.А. Исследование возможности получения повышенных давлений впрыскивающей топливной аппаратуры разделенного типа в автотракторных дизелях / Вестник МГТУ. Машиностроение.- 1997.-№1.-С.92-103.

19. Гетманец Г.В., Лиханов В.А. Социально экологические проблемы автомобильного транспорта. - М.: Аспол, 1993. - 340 с.

20. Гнатюк Е.В., Жуков Г.И., Максимова A.A. Исследование жидкостного нейтрализатора НЖ-180 с двигателем ЯМЗ-238 // Двигатели внутреннего сгорания. Омск. - 1974. - С. 85-96.

21. Гусаров А.П., Вайсблюм М.Е. Перспективы нормирования экологических показателей АТС //Автомобильная промышленность. 2000. - №2. - С.34-40.

22. ГОСТ 14846 81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. М.: Изд. стандартов. 1981. С.53.

23. ГОСТ 17.2.2.05 86. Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерения дымности отработавших газов тракторных и комбайновых дизелей. М.: Изд. стандартов. 1986. С.7.

24. Дьяченко Н.Х., Костин А.К., Пугачев Б.П. Теория двигателей внутреннего сгорания. JL: Машиностроение, 1974. - 552 с.

25. Демочка О.И., Соколов Ю.А. Токсичность отработавших газов двигателей автотракторного типа и средства ее снижения. М.: ЦНИИТЭИт-ракторосельхозмаш, 1974. - 42 с.

26. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний: ГОСТ 14846-81. Введен 01.01.82.-М., 1984-55 с.

27. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. - 120с.

28. Жегалин О.И., Сайкин A.M., Френкель А.И. Методы снижения токсичности отработавших газов тракторных дизелей. М.: ЦНИИТЭИтрак-торосельхозмаш, 1976. - 30 с.

29. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. - 199 с.

30. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1981. - 160 с.

31. Зельдович Я.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука. 1980. С.32.

32. Защита окружающей среды от вредных выбросов автомобильного транспорта; Учеб. пособие / Гутаревич Ю.Ф., Говорун А.Г. К.: УМК ВО при Минвузе УССР, 1989. 128с.

33. Кашкин M.B. Анализ методов снижения выбросов оксидов азота // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики: Сб. науч. тр. Киров.: ВГСХА, 2004. Вып. 4. С 24 - 27.

34. Кашкин М.В. Общая методика определения основных размеров устройства для нейтрализации оксидов азота // Международная научная конференция. СПб.: СЗ НИИЭСХ, 2005. - С 243 - 248.

35. Кирпатовский И.П. Охрана природы. М.: Химия. 1980. 376с.

36. Кутенев В.Ф., Свиридов Ю.Б. Экологические проблемы автомобильного двигателя и пути оптимального их решения // Двигателестроение. -1990.-№10. С.55-62.

37. Кулиш О.Н. Разработка и промышленное внедрение методом некаталитической очистки газовых выбросов от окислов азота аминосодержа-щими восстановителями // Диссертация на соиск. учен. степ, д.т.н., Москва. -1996.

38. Колчин A.B. Обеспечение экологической безопасности тракторных и комбайновых дизелей // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -2004.-№2.-С. 2-5.

39. Каталитические нейтрализаторы / Экология и промышленность России. 2001. -№1. - С.4-6.

40. Каталитический нейтрализатор отработавших газов ДВС. A.c. 1802184 MKHF 01 N3/28.

41. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.:Колос, 1994. - 224с.

42. Луканин В.Н., Шатров В.А. Теплотехника / Учеб. для ВУЗов. -М.: Высш. шк. 2002. - 671 с.

43. Малов Р.В. Рабочие процессы и экологические качества ДВС // Автомобильная промышленность. 1992. - №9. - С. 10-15.

44. Малов Р.В. О невозможности нейтрализации отработавших газов дизельного двигателя методом пламенного дожигания / Труды ЛАНЭ. М.: Знание, - 1969.-28 с.

45. Магарил Е.Р., Резник А.Г. интегральная оценка токсичности отработавших газов // Автомобильная промышленность. 1998. - №3. - С.9 -И.

46. Марков В.А., Баширов P.M. Токсичность отработавших газов дизелей. Уфа, изд. БГАУ. 2000. - 144 с.

47. Мельников C.B., Алешкин В.Р. Планирование экспермента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. Д.: Колос. - 1980. - 168с.

48. Методы снижения токсичности отработавших газов судовых малотоксичных дизелей. / Grohe Ote // Hansa. 1990-127. - №22. - С. 1526-1530.

49. Методические указания к РГР по гидрогазодинамике. С- Петербург 2001.

50. Николаенко A.B., Салова Т.Ю. Способ и устройство для снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами дизелей // Тез. докл. научи- практ. конф. ВНИПТИМЭСХ «Экология и сельскохозяйственная техника». СП.- Павловск. 1998. - С. 214-216.

51. Новоселов A.A., Мельберт A.JL, Беседин C.JI. Основы инженерной экологии. Барнаул.: Алтайский ГТИ. 1993. - 100 с.

52. Новые типы каталитических нейтрализаторов / Truex T.I., Searles R.A., Sun D.C. // Platinum Metals Rew. 1992 - 36. - №36. - С. 2-11.

53. Овсянников M.K., Орлова Е.Г., Емельянов П.С. Основы гидромеханики. М. - 2003. - 145с.

54. Орлова М.Н. Исследование процесса некаталитической очистки газовых выбросов от окислов азота в присутствии диоксида серы с использованием аминосодержащих восстановителей. М. Автор. 1995. - С. 16.

55. Основы промышленной экологии: Автомоб. транс.: Учеб. пособие / М.М. Болбас, E.JL Савич. Под общ. ред. М.М. Болбаса. Мн.: Высш. шк., 1993.-235 с.

56. ОСТ 37.001.0544 86. Автомобили и двигатели. Выбросы вредных веществ. Нормы и методы определения. М.: Изд. стандартов. - 1986. -С.17.

57. Погорелов С.Д., Сайкин A.M., Френкель А.И. Методы снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей // Исследование эксплуатационных качеств сельскохозяйственных тракторов: Тр. Кишинев, с.х. ин-та. Кишинев, 1977. - С.60 - 66.

58. Подчинок В.М., Усин В.В. // Автомобильная промышленность. -2001. -№1. С.38.

59. Подчинок В.М., Усин В.В., Медведев Ю.С. Улучшение экологических характеристик автомобильных дизелей // Автомобильная промышленность. 2001. - №11. - С.38-39.

60. Петров Р.Л., Васильев М.В. Присадки к топливу // Автомобильная промышленность. 2000. - №6. - С. 33-35.

61. Патент РФ. Способ очистки газов от оксидов азота / Николаенко A.B., Салова Т.Ю. // 6 В 01 D 53/56. № 97107918. - 13.05.1997.

62. Салова Т.Ю., Громова Н.Ю. и др. Основы экологии. Аудит и экспертиза техники и технологии: Учебник для вузов. СПб.: Лань, 2004. - 336 с.

63. Салова Т.Ю. Установление эксплуатационных допусков на регулировочные параметры топливной аппаратуры тракторных дизелей по составу отработавших газов. Автореф. Л.: Пушкин. 1988. - С.16.

64. Салова Т.Ю., Корабельников С.К. Исследования условий образования оксидов азота в процессе сгорания топлив. //Научно-технические ведомости СПбГТУ, №2, 2009. с. 78-90.37.

65. Салова Т.Ю., Сивов A.A. Снижение токсичных выбросов автотранспортных двигателей //Известия международной академии аграрного образования. СПбГАУ. 2011, №12, С.57 - 59

66. Салова Т.Ю., Соминич A.B. Расчет и исследование элементов аэроконтура струйного эжектора / Методические указания. СП. - 2001.

67. Селиванов Н.И., Кирин B.C. Испытание и регулирование автотракторных двигателей: Учеб. пособ. Красноярск: Изд. Каснояр. гос. аграр. ун-та, 1997. 150 с.

68. Сердюк Д.В., Сердюк В.В., Ашкинази Л.А., Данилов A.M. Катализаторы горения бензинов и дизельных топлив // Автомобильная промышленность. 2001. -№5. - С. 23-26.

69. Сивов A.A., Исследования двигателя ЗМЗ 406.2 на неустановившихся режимах работы. "Технико-технологические проблемы сервиса" СПбГУСЭ. - 2011, №4.

70. Смайлис В.И. Теоретические и экспериментальные основы создания малотоксичных дизелей / Дис. на соиск.уч. степени д-ра техн. JI. -1988.

71. Смайлис В.И. Проблемы снижения токсичности и дымности отработавших газов дизелей // Двигателестроение. 1979. -№1. - С.19 -21.

72. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. Л.: Машиностроение,1972.- 186 с.

73. Семенов Б.Н., Смайлис В.И., Быков В.Ю. Возможности сокращения выброса окислов азота с отработавшими газами быстроходного форсированного дизеля при сохранении высокой топливной экономичности / Двигателестроение. 1986. - №9. - С.3-6.

74. Снижение выбросов окислов азота с отработавшими маолообо-ротных судовых дизелей // MER: Mar. Eng. Rew. 1991 - Febr. - С. 10-14.

75. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Под. общ. ред. д.т.н. Некрасова Б.Б. Изд. 2-е. Минск.: Высш. шк. 1985.-498с.

76. Филипосянц Т.Р., Кратко А.П. Пути снижения дымности и токсичности отработавших газов дизельных двигателей. М.: НИИНавтопром,1973.-72с .

77. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. JI.: Машиностроение. - 1990. - 352 с.

78. Чертков Я.Б. Моторные топлива. Новосибирск: Наука, 1987.208с.

79. Шелмаков C.B. Оценка пробеговых выбросов автотранспортных средств в эксплуатации. Москва: МАДИ-ТУ 2000г.

80. Экологический контроль и аудит состояния агроэкосистем: Учеб. пособие / Громова Н.Ю., Салова Т.Ю. Под общ. Ред. Ходырева A.A. Индикатор,2000. - 75 с.

81. Lepperhoff G., Schommers J.Einfluss des Schmieröls auf die PAN -Emissiontn von Verbrennungsmotoren // MTZ. 1986. - Jg.47. - №9. - S.367 -371.

82. Linke H. Ausblick: Renaissance des Diesels in den 90 er Jahreu / Krafthand. 1990. - №5. - P.176-179.

83. Jakobs R., Westbrooke K. Aspects of Influencing Oil Consumption in Diesel Engine for Low Emissions // SAE Technical Paper Series. 1990. -№900587.-P. 1-18.

84. Tsujimura K., Kobayashi S. The Effect of Injection Parameters and Swirl on Diesel Combustion with High Pressure Fuel Injection // SAE Technical Paper Series. 1991. -№ 910489. - P. 13.