автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование экологических характеристик дизелей методом каталитической очистки отработавших газов

,'Г к ОД

^ 4 ДЬН 1Э98 На правах рукописи

БЕСЕДИН Сергей Леонидович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЕЙ МЕТОДОМ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Специальность: 05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Барнаул - 1998

Работа выполнена в Алтайском государственном техническ« университете им.И.И.Ползунова на кафедре "Двигатели внутренне сгорания".

Научный руководитель - действительный член Академии Транспорта Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Новосёлов А.Л.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Вагнер В.А.,

доктор технических наук, профессор, Крохта Г.М.

Ведущая организация - АО "Барнаултрансмаш".

Защита состоится 25 декабря 1998 года в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д 084.29.01 в Алтайском государственно! техническом университете им.И.И.Ползунова по адресу: 65609$ г.Барнаул, пр-т Ленина 46.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим выслать по адресу: 656099, г.Барнаул, пр т Ленина 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Учёный секретарь ^

диссертационного совета Д 064.29.01, /) доктор технических наук, профессор В.А.Синицын

л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вмешательство человека в окружающую природу увеличивается по мере развития цивилизации и промышленности, и остановить этот процесс невозможно. В связи с этим, задачей человечества в настоящее время явилось ограничение негативного влияния на окружающую среду, её защита и прогнозирование последствий своего вмешательства.

В России сейчас практически во всех крупных городах остро стоит проблема загрязнения воздушного бассейна отработавшими газами автомобильного транспорта, что вызвано резким увеличением количества автомобилей за последние 5 лет (в некоторых городах произошло удвоение количества личного автотранспорта за этот период времени), отсутствием эффективных средств снижения токсичности отработавших газов и др.

Однако, несмотря на сложную экологическую обстановку, есть и положительные сдвиги в этом направлении. В частности, Россия в настоящее время вступает на путь осуществления широкого круга мероприятий, направленных на защиту окружающей среды при строгом соблюдении законодательств и нормативов. В дополнение к этому, в связи со вступлением России в ЕЭС, она присоединилась к другим странам в осуществлении программ, связанных с охраной окружающей среды в глобальном масштабе, в том числе от вредного воздействия на неё веществ, выбрасываемых с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности, дизелей.

Причина, по которой более пристальное внимание стало уделяться вкладу дизелей в загрязнение окружающей среды, заключается в том, что доля вредных выбросов дизелями значительна в общих выбросах автотранспортом окислов азота (N0*) и особенно твёрдых частиц (ТЧ) и

сажи (до 1% по массе от общего расхода топлива). Также известно, чт за последние 10 лет значительно увеличилась доля автомобилей дизельными ДВС и тенденция увеличения их доли в общем выпуске, ка предполагается, сохранится и в ближайшем будущем.

Решения данной проблемы можно достичь различными путями, ка за счёт совершенствования рабочих процессов, так и с помощьн подбора и установки средства снижения токсичности отработавших газо! (ОГ), соответствующего транспортному средству, условиям еп эксплуатации, а также путём анализа взаимосвязи конструктивны; параметров и эксплуатационных условий с уровнем вредных выбросо! дизеля.

Настоящая диссертационная работа выполнена в период с 1992 пс 1998 годы на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Алтайское государственного технического университета им И.И.Ползунова I посвящена решению вопросов, связанных со снижением вредны: выбросов транспортных дизелей.

Целью работы явилось создание эффективных средств каталити ческой очистки отработавших газов дизелей, определение эффективности снижения вредных выбросов отдельными методами, создание методики и проведение оценки вредных выбросов транс портных дизелей по различным испытательным циклам.

В теоретической и экспериментальной частях данной работы при обработке полученных данных были использованы математические модели, современная компьютерная техника и соответствующая научна? аппаратура.

Объектами исследования явились рабочий процесс, процессь образования токсичных веществ в цилиндре дизеля, состав отработавших газов и уровень шума выпуска транспортных дизелей многоцелевогс назначения, закономерности изменения индикаторных показателей в

зависимости от уровней вредных выбросов.

Научная новизна работы заключается в создании методики сравнительной оценки вредных выбросов по показателям удельного приведённого эксплуатационного нормообъёма, в получении данных об уровнях вредных выбросов многоцелевых дизелей 415/18 и установлении возможностей снижения вредных выбросов путём воздействия на рабочий процесс и с помощью каталитической нейтрализации, получении данных об изменении параметров рабочего процесса и влиянии их на уровни вредных выбросов.

Практическая значимость работы заключается в том, что получены данные об уровне вредных выбросов дизеля по 13-режимному испытательному циклу согласно ОСТ 37.001.234-86 и 8-режимному циклу AVL, создана и испытана на стенде конструкция каталитического нейтрализатора, способного не только достаточно эффективно снижать уровень вредных выбросов с ОГ, но и выполнять роль глушителя шума. Исследованы направления работ по изменению рабочего процесса в целях снижения вредных выбросов с ОГ, а также разработана методика оценки вредных выбросов дизелей.

Апробация работы. Материалы исследований и теоретических разработок по теме диссертации доложены на научно-технических конференциях Алтайского государственного технического университета в 1993-1997 годах, на конференции "Проблемы промышленных СВС-технологий", на международной конференции "Проблемы экологии. Антагонизм или сотрудничество" в г.Белокурихе в 1994 году.

Публикации. Все основные положения диссертации опубликованы в 8 работах, включая одно учебное пособие по целевой подготовке специалистов. Разработки защищены тремя патентами РФ.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 125 источников

отечественной и зарубежной литературы и приложений. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, 18 таблиц и 33 рисунка.

В соответствии с содержанием работы диссертант представляет к защите:

- результаты экспериментальных исследований токсичности и шума выпуска ОГ транспортных дизелей;

- результаты оценки токсичности отработавших газов дизелей по показателю удельного эксплуатационного нормообъёма;

- результаты оценки выбросов дизелей по различным методикам и рекомендации по снижению токсичности ОГ, в том числе за счёт каталитической нейтрализации с использованием разработок автора;

- результаты оценки воздействия регулировок топливоподачи и степени сжатия на уровни вредных выбросов дизелей;

- результаты оценки составляющих индикаторного к.п.д. с уровнями вредных выбросов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено состояние вопроса об уровнях и масштабах загрязнений, вносимых автотранспортом, в том числе и для г.Барнаула, рассмотрены пути отрицательного воздействия автотранспорта на окружающую среду и человека. Сделан литературный обзор по следующим вопросам: состав отработавших газов (ОГ) ДВС, в частности, дизелей; влияние государственной политики в области ограничения уровней вредных выбросов (рассмотрены настоящие нормативные акты, регламентирующие уровни вредных выбросов с ОГ, в том числе сделан обзор нормативных актов некоторых стран).

Отдельно рассмотрен вопрос о влиянии типа рабочего процесса на уровни вредных выбросов с ОГ. И в заключение приведено описание

применения каталитических нейтрализаторов (КН) в качестве средства снижения токсичности ОГ дизелей.

На основании изложенного было отмечено, что нормирование вредных выбросов с ОГ ДВС является лишь одним шагом на пути уменьшения вредного воздействия автомобилей на окружающую среду. Но вместе с тем в значительной степени на токсичность ОГ двигателей можно оказывать влияние применением различных типов смесеобразования, изменением конструктивных параметров дизелей, например, характеристик впрыска и распыливания топлива.

Несмотря на множество предложений и разработок в области снижения токсичности ОГ ДВС, наиболее распространённым и эффективным средством на сегодняшний день остаётся каталитическая очистка, и в тоже время решается вопрос о каталитической очистке без использования благородных металлов, и разработок нейтрализаторов-глушителей.

Определены были также задачи исследования:

1. Экспериментальное исследование токсичности отработавших газов дизеля по испытательным циклам, соответствующим требованиям ОСТ 37.001.234-81 и Евро-стандартов.

2. Изучение возможности снижения вредных выбросов и уровня шума выпуска ОГ в окисных катализаторах с применением благородных металлов.

3. Изучение возможности снижения вредных выбросов и уровня шума выпуска за счёт применения пористых проницаемых каталитических СВС-блоков в нейтрализаторах.

4. Изучение влияния регулировок на индикаторный к.п.д. и состав отработавших газов дизелей на математической модели.

Во второй главе приведён краткий литературный обзор расчётных методик определения уровней вредных выбросов. Подчёркивается

сложность определения общего количества вредных выбросов в связи с тем, что автомобиль в городских условиях движения имеет различные режимы работы (разгон, установившееся движение, торможение, холостой ход), и выброс вредных веществ с ОГ на всех режимах работы различен. Кроме того, различна и доля этих режимов в общем времени работы автотранспортного средства, что, в свою очередь, зависит и от его назначения. Например, доля работы городского автобуса при установившейся нагрузке составляет примерно 9%, тогда как для легкового автомобиля эта величина составляет примерно 25%.

Поэтому для сравнительной оценки токсичности ОГ различных типов двигателей был сделан вывод уравнения определения удельного нормообъёма (11^-, м3/кВт-ч) для дизеля с турбонаддувом:

(г

_ 4,148 -КГ3

^уг ~

.31-а

Г-1 ' к..

Г т

\ /=1

+ 0,0675)• г, + • к^г, ■ V• а,

/-1

+

и для дизеля без турбонаддува:

(1)

/ /

4,148-10'

/л

5>

+0,0675)+

/"»I ».-1 /

V /-1

(2)

Полученные выражения (1) и (2) дают возможность производить сравнительную оценку токсичности ОГ дизелей при работе на различных режимах, в том числе и при стендовых испытаниях по различным испытательным циклам. Далее в рамках диссертационной работы была

произведена оценка показателя иэт для двух испытательных циклов (8-режимный по методике А\Л_ и 13-режимный по ОСТ 37.001.234-84).

В результате оценки уровня вредных выбросов по' 8-ми и 13-режимным испытательным циклам выяснено, что величина 11эт отличается и составляет 126024 и 59186,5 м3/кВт-ч соответственно. Различие объясняется, прежде всего, тем, что эти два испытательных цикла имеют отличия по продолжительности и по суммарной мощности, развиваемой дизелем за весь цикл испытаний.

Были также получены величины и^ для дизеля с установленным на трассу выпуска КН и составили для 8-ми и 13-режимных испытаний и составили 104264 и 57777,2 м3/кВт-ч соответственно.

В третьей главе приводится описание экспериментальной установки для исследования токсичности и дымности ОГ дизелей, оборудованной согласно ГОСТ 14846-81 и ГОСТ 17.2.2.01-84. Описана также программа испытаний, а также конструкции каталитического нейтрализатора, разработанного при участии автора данной работы. Описание методики проведения испытаний, расчётов и оценки погрешности измерений позволили сделать вывод о том, что средства измерения, применённые в экспериментальной части работы, обеспечивают достаточную точность измерений.

Были получены результаты экспериментальной оценки токсичности ОГ дизеля 5Д6-192 по 13-режимному испытательному циклу без каталитической очистки и с установленным на трассу выпуска КН конструкции АлтГТУ. Результаты представлены в таблице 1.

Результаты токсичности дизеля по 8-режимному циклу АУ1 представлены на рисунках 1 и 2, из которых видно, что как и в испытаниях по 13-режимному циклу, незначительное снижение за весь испытательный цикл произошло у выбросов окислов азота (на 11%). Данное исследование показало, что предлагаемая в работе конструкция КН практи-

Таблица 1

Результаты экспериментальной оценки токсичности ОГ дизеля 5Д6-192 по 13-режимному циклу, г/кВтч

Компоненты ОГ N0* СО СХНУ

Без КН 11,0 11,9 0,18

СКН 10,3 6,74 0,1

Требования ОСТ 37.001.234-81 18,36 9,5 3,4

чески не способствует снижению содержания в ОГ твёрдых частиц, о чём свидетельствует диаграмма на рисунке. Объясняется это тем, что шарики катализатора, применяемого в данной конструкции КН, соприкасаются неплотно, и между ними имеются небольшие зазоры, в которые, следуя пути наименьшего сопротивления, и проходят твёрдые частицы (в том числе и сажа). При разработке данного каталитического нейтрализатора предусматривалось совмещение в одной конструкции свойств как нейтрализатора отработавших газов, так и глушителя. Испытания показали, что КН достаточно эффективно снижает уровень шума выхлопа (общий уровень шума с КН составил 111,7 , а со штатным глушителем КамАЗ -113,1 дБ).

В работе также приведены результаты испытаний блочных КН. Наиболее приемлемыми и технологичными являются носители в виде монолитных конструкций с развитой поверхностью, получаемой в результате применения СВС-технологий. На кафедре ДВС АптГТУ были получены при участии автора данной работы каталитические пористые проницаемые блоки цилиндрической и конической формы (форма выбиралась в соответствии с конструктивным исполнением нейтрализатора). Помимо возможности производить каталитические блоки заданной формы, СВС-технология позволяет создавать пористые блоки с заданными размерами пор, обеспечивая величины противодавлений, сопоста-

млн"1

млн"'

номера циклов испытаний

Рис.1 Массовые выбросы СО и СХНУ дизелем 5Д6-192 по 8-режимному циклу А\Л_. Ш - с КН; □ - без КН.

млн'1

млн"* 800 т

номера циклов испытаний

Рис. 2 Массовые выбросы N0* и твёрдых частиц дизелем 5Д6-192 по 8-режимному циклу АУ1_. Ц - с КН; □ - без КН.

вимые с величинами противодавлений, создаваемых глушителями (так, увеличение доли окислов алюминия в шихте способствует увеличению пористости материала). Таким образом, существует возможность использования блочных каталитических нейтрализаторов в качестве гушителей шума выпуска. Результаты испытаний нейтрализаторов с

ЕЛ

80

60 АО 20

\Eco

ter

у ..... \

У \е

/ 4

J i

|

t °С

Lor»

500 300 100

25 50 75 100 Ne/ty % Рис.3 Результаты испытаний блочных КН

СВС-блоками приведены на рис. 3 (обозначенная на рисунке Е -эффективность нейтрализации ОГ)- Испытания блочных КН показали, что снижение уровня выбросов окиси углерода ЕСо составило 88% и окислов азота (ENOx)- 58% при номинальной нагрузке.

В рамках данной работы была также произведена обработка индикаторных диаграмм и проведён анализ индикаторного к.п.д. и использования теплоты в цилиндре дизеля (см. табл.2)

Таблица 2

Величины коэффициентов использования теплоты и индикаторног

■К.П.Д.

Режим работы дизеля п, мин"1 •п» бт 6с 6 нс бэт

1100 0,469 0,088 0,0113 0,046 0,318 0,065

1500 0,489 0,0915 0,0125 0,034 0,318 0,055

1900 0,466 0,089 0,0111 0,074 0,318 0,042

В результате проведённых исследований токсичности ОГ дизеля 5Д6-192 по 8-ми и 13-режимным испытательным циклам и шума выхлопа ОГ было обнаружено, что представленная конструкция каталитического нейтрализатора позволяет снижать уровень шума выхлопа дизеля более эффективно, чем штатный глушитель КамАЗ и достигать не более 111,7 дБА. Установка глушителя-нейтрализатора на трассу выпуска ОГ дала улучшение экологических характеристик дизеля. Удельный выброс вредных веществ с ОГ по 13-режимному циклу снизился: по окиси углерода и углеводородам на 43 и 44% соответственно, по окислам азота - на 6%. По 8-режимному циклу АУЬ снижение удельных выбросов вредных веществ составило: для окиси углерода и углеводородов - на 39 и 47% соответственно, для окислов азота - на 11% (на отдельных же режимах испытаний эффективность работы КН по снижению содержания ЫОх, СХНУ и СО в ОГ дизеля составляла 75%);

Было также отмечено, что платиновый катализатор на носителе А120з, применённый в данной конструкции КН, не способствует значительному снижению выбросов окислов азота, т.к. является окислительным. Поэтому можно рекомендовать дальнейшую разработку каталитического элемента, имеющего свойства восстановительного катализатора (например, родий или рутений, а также материалы с СВС-

структурами). Для более же эффективного снижения уровня выбросов твёрдых частиц рекомендуется применять противодымный фильтр. А также в целях повышения эффективности нейтрализации.ОГ дизеля может быть применён дополнительный подогрев каталитической массы, особенно при работе холодного дизеля и на режимах малых нагрузок.

Обработка результатов измерения колебаний давления вблизи ВМТ даёт право заявить о существовании связи между параметрами колебаний (моментом начала, продолжительностью и амплитудой колебаний) и формированием индикаторных параметров, а также о зависимости параметров колебаний от режима работы дизеля.

В четвёртой главе рассматривались вопросы образования вредных веществ в цилиндре дизеля, для чего был применён программный комплекс, разработанный Разлейцевым Н.Ф. и реализованный Новосёловым А.Л. и Русаковым 8.Ю. на кафедре ДВС АлтГТУ. Были решены две задачи. Первая включала в себя проверку математической модели на сходимость с экспериментальными данными и вторая -исследование влияния регулировок дизеля (угла опережения впрыска топлива и степени сжатия) на содержание вредных веществ в ОГ.

Настройка модели с помощью вспомогательных коэффициентов в уравнениях тепловыделения и безразмерной характеристики впрыска топлива позволила получить хорошую сходимость результатов моделирования с экспериментом (рис. 4).

Результаты моделирования показали, что уменьшение угла опережения впрыска топлива с 23 до 15 0 п.к.в. приводит к увеличению выбросов углеводородов с 0,038 до 0,619 г/м3. Выбросы сажи также возрастают с 0,039 до 0,077г /м3 ( рис.5). Содержание же ЫОх в ОГ

значительно сокращается (с 1,43 г/м3 при фнпт=-23 0 пкв до 1,037 г/м3 при фнт=-15 0 пкв). Однако, уменьшать фнпт в целях снижения токсич-

образования окислов азота и углеводородов с экспериментальными данными при 1400 мин"1 (рис. а) и 1900 мин"1 (рис. б); —•—модель; —х—х--эксперимент.

ности следует в пределах 2-3 0 пкв. Так, если изменить угол начала подачи топлива с -19 до -17 0 пкв, то это заметно уменьшит токсичность ОГ (в основном за счёт N0, - одного из наиболее токсичных

нормируемых компонентов). Изменение же фнпт в больших пределах приведёт к ухудшению эксплуатационных показателей дизеля.

Исследование влияния изменения степени сжатия в пределах от 13 до 18 на уровни вредных выбросов дало следующие результаты (см.рис. 6): при повышении степени сжатия в вышеуказанном диапазоне

Ж

Г/и3 1,о

N0,

I \

. / я

( гч

СДо 1--с 2 -С

■сл

Г/м~

о;5

о,ь

Сж,

г/м2

0,08

0,06

0,1 10,04

15 17

19

21 23 %'п.к.Ь.

Ох 'м3

Ъ,0

2,0

1,0

Рис. 5. Зависимость уровней вредных выбросов от угла начала подачи топлива (режим номинальной мощности, п=1900 мин"1)

Сж.

V] ' ¡V. 1 с* 1 1

\ 1 IV \ ' \ ■ 1 1 ! »

но> д4

|

\

Схн г/

Ф?

0,25

О, ¿5

0,05

г/мЗ ^0,0?

-0,05

-о,оЬ

13 15 17 £

Рис. 6. Зависимость уровней выбросов |\ЮХ, СХНУ и сажи от е

выбросы окислов азота увеличились с 1,11 до 2,58 г/м3 (то есть в 2,3: раза). У сажи наблюдается обратная зависимость: её содержание в 01 уменьшается с увеличением степени сжатия (с 0,077 до 0,032 г/м3) Выбросы углеводородов также уменьшаются с 0,286 до 0,031 г/м (приведённые расчёты производились для режима номинально! мощности).

Исследования показали, что изменение степени сжатия, даже £ небольших пределах, значительно влияет на токсичность ОГ (так величины удельного нормообъёма для дизеля при степенях сжатия 13 14,5 и 16 составили 46967, 59187 и 81818 м3/кВт-ч соответственно). Не одновременно с этим, снижение степени сжатия влечёт за собой ухуд шение эксплуатационных качеств дизеля. Поэтому, лучшим путём является изменение угла начала подачи топлива в небольших пределах (' применение средств каталитической очистки отработавших газов.

В целом по проведённым исследованиям было отмечено, чте установка КН дала улучшение экологических характеристик дизеля пс основным компонентам (окиси углерода, углеводородам и окислам азота) и составила для 13-режимного испытания: 43, 44 и 6% , а для 8-режимного цикла А\/1. - 39, 47 и 11% соответственно. Незначительное снижение выбросов окислов азота свидетельствует о том, что применённый в конструкции КН платиновый катализатор ШПАК-0,5 не способствует эффективной очистке ОГ от окислов азота, поскольку является окислительным. Поэтому рекомендуется дальнейшая разработка каталитического элемента, имеющего восстановительные свойства. А также можно рекомендовать в целях повышения эффективности восстановления ЫОх дополнительный подогрев каталитической массы в случаях недостаточно высокой температуры ОГ (на режимах малых нагрузок и при работе холодного дизеля).

Полученные выражения для оценки вредных выбросов дизеля по удельному эксплуатационному нормообъёму иэт позволили произвести сравнительную оценку для различных испытательных циклов. Так, была произведена оценка уровня вредных выбросов по 8- и 13-режимным испытательным циклам и полученные величины иэт составили: 126024 и 59186,5 м3/кВт-ч соответственно. Величина удельного нормообъёма для дизеля с установленным на трассу, выпуска КН и величина 1)эт для 8- и 13-режимных испытаний составила 104264 и 57777,2 м3/кВт-ч соответственно.

По этой же методике была произведена оценка влияния изменения степени сжатия на токсичность выхлопа (и, следовательно, на величину нормообъёма). Так, величины удельного нормообъёма для дизеля при степенях сжатия 13, 14,5 и . 16 составили 46967, 59187 и 81818 м3/кВтч соответственно.

Кроме снижения токсичности ОГ, разработанная конструкция КН позволяет снижать уровень шума выпуска дизеля более эффективно, чем штатный глушитель КамАЗ и достигать 111,7 дБА (с глушителем КамАЗ - 113,1 дБА). Поэтому предлагается использовать данную конструкцию каталитического нейтрализатора на дизеле без глушителя.

Созданная конструкции КН с блоками, полученная с помощью СВС-технологии, позволила снизить уровни вредных выбросов не менее эффективно, чем катализатор ШПАК-0,5, причём эффективность нейтрализации возрастает с увеличением температуры ОГ.

Помимо использования каталитической очистки ОГ, была рассмотрена возможность снижения вредных выбросов с ОГ зоздействием на рабочий процесс путём изменения угла начала подачи топлива. Исследование показало, что можно значительно сократить зыбросы СХНУ (в 6,2 раза при увеличении фнпт на 4° п.к.в.), а также экислов азота (в 1,23 раза) при уменьшении выбросов сажи в 1,46 раза.

Получены также результаты оценки зависимости уровня вредных выбросов дизеля от степени сжатия. Исследования показали, что изменение степени сжатия, даже в небольших пределах, значительно

влияет на токсичность ОГ (так, изменение £ с 18 до 14 приводит к уменьшению выбросов N0,, в 2 раза и одновременном увеличении выбросов углеводородов в 4,35 раза). Но одновременно с этим, ' снижение степени сжатия влечёт за собой ухудшение эксплуатационных качеств дизеля. Поэтому, лучшим путём является изменение угла начала подачи топлива в небольших пределах и применение средств каталитической очистки отработавших газов.

Были установлены количественные связи между величинами индикаторных показателей и уровнями вредных выбросов. Однако, раскрытие этих связей, подробный анализ и использование их закономерностей для управления рабочим процессом в целях снижения вредных выбросов должно являться предметом самостоятельного исследования.

По результатам работы даны следующие рекомендации: В целях обеспечения требований ОСТ 37.001.234-81 и Евро-стандартов к токсичности ОГ необходимо применение комплексных мероприятий, включающих уменьшение угла опережения впрыска топлива на 2°п.к.в. с сохранением степени сжатия £=14,5 и установку каталитического нейтрализатора окислительно-восстановительного типа на базе блочных пористых проницаемых СВС-структур.

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования по совершенствованию экологических характеристик дизелей позволяют сделать основные выводы:

1. Использование шарикового платинового катализатора ШПАК-0,5 в нейтрализаторе приводит к снижению выбросов окиси углерода, углеводородов и окислов азота сответственно по 13-режимному испытательному циклу на 43, 44 и 6%, а по 8-режимному циклу А\/1_ - на 39, 47 и 11%.

2. Катализатор ШПАК-0,5 не способствует эффективной очистке ОГ от окислов азота, поскольку является окислительным. Поэтому рекомендуется дальнейшая разработка каталитического элемента, имеющего восстановительные свойства. Кроме того, данная конструкция КН не способствует эффективному уменьшению содержания в ОГ дизеля твёрдых частиц (необходимо применение наряду с КН дымного фильтра).

3. Получены выражения для оценки вредных выбросов дизелей по удельному эксплуатационному нормообъёму 1)эт, позволяющие производить сравнительную оценку различных испытательных циклов.

4. По 8- и 13-режимным испытательным циклам полученные величины иэт составили: 126024 и 59186,5 м3/кВт-ч соответственно, для дизеля же с установленным на трассу выпуска КН величина иэт для 8- и 13-режимных испытаний составила 104264 и 57777,2 м3/кВт-ч соответственно.

5. Использование каталитических блоков, полученных методом СВС-технологии, позволяет снизить уровни выбросов СО на 40-88 % и [МОх - на 23-58% в зависимости от нагрузки дизеля.Произведённая оценка возможности воздействия на рабочий процесс путём изменения угла начала подачи топлива дизеля 5Д6-192 показала, что можно значительно сократить выбросы углеводородов (в 2,9 раза), а также окислов азота (в 3 раза) при незначительном уменьшении выбросов сажи. Однако, при этом значительно снижается и мощность дизеля.

6. Каталитические насыпные и блочные пористые нейтрализаторы являются хорошим глушителем шума выпуска и позволяют снизить общий уровень его шума на 1-2 дБ по сравнению со штатным глушителем. Поэтому, предлагается использовать данную конструкцию КН без установки глушителя на трассу выпуска.

7. Произведённая оценка возможности воздействия на рабочий процесс путём изменения угла начала подачи топлива дизеля показала, что можно значительно сократить выбросы углеводородов (в 6,2 раза при увеличении фнпт на 4 °п.к.в.), а также окислов азота (в 1,23 раза) при уменьшении выбросов сажи в 1,46 раза.

8. В качестве эффективного мероприятия может быть использовано снижение степени сжатия. Так, изменение е с 18 до 14 приводит к уменьшению выбросов окислов азота в 2 раза и одновременнному увеличению выбросов углеводородов в 4,35 раза.

Основные положения работы отражены в следующих публикациях:

1. Инженерные методы снижения вредных выбросов дизелями, эксплуатируемыми в сельском хозяйстве // Совершенствование быстроходных дизелей: тезисы докладов международной научно-технич. конф./ Алт. государств, техн. ун-т им. И.И.Ползунова,-Барнаул: Б.и., 1993,-С.68-69 (Соавторы: Мельберт A.A.).

2. Каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего, сгорания. Пат. 2023178, Россия. Новосёлов А.Л., Мельберт A.A., Синицын В.А., Бутин В.Ю., Беседин С.Л. АлтГТУ. Заявл. 17.03.92; Опубл. 15.11.94.

3. Одновременное влияние макровязкости и метеоусловий на рассеивание вредных выбросов дизеля// Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество: Тезисы докл. Международной конференции/ Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1994,- С. 104-105 (Соавторы: Новосёлов А.Л., Унгефук A.B.).

4. К вопросу создания универсальных протаводымных фильтров для дизелей// Международная научно-технич. конф. "Проблемы промышленных СВС-технологий"/ Апт. государств.техн. ун-т им. И.И.Ползунова.- Барнаул: Б.и., 1994,- С.248-254 (Соавторы: Новосёлов А.Л., Лебедева O.A.).

5. Использование СВС-технологий для снижения вредных выбросов двигателей автотракторной техники. Там же, С.254-260 (Соавторы: Новосёлов А.Л., Лебедева O.A.).

6. Основы инженерной экологии в двигателестроении. Учебное пособие. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1993,- 99с (Соавторы: Новосёлов А.Л., Мельберт A.A.).

2 к

7. Шихта для получения пористого проницаемого материала. Пат.2081731, Россия. Лебедева О.А., Шечков Г.Т., Воронков Н.Г., Беседин С.Л. АлтГТУ. Заявл. 11.01.95; Опубл. 20.06.97.

8. Шихта для получения пористого проницаемого материала. Пат.2101136, Россия, Лебедева О.А., Шечков Г.Т., Новосёлов А.Л., Беседин С.Л. Заявл. 26.03.96; Опубл. 10.01.98

^ - коэффициент увеличения токсичности вредных веществ;

Т0 и Тш - температура окружающей среды до и после компрессора;

Ро и Ррсм - давление окружающей среды до и после компрессора;

в™ - часовой расход топлива на заданном режиме;

С3т„ - часовой расход топлива на режиме номинальной мощности;

тт - продолжительность испытательного цикла;

кпр - коэффициент увеличения расхода топлива на режиме разгона;

кпт - коэффициент увеличения расхода топлива на режиме торможения;

Озг - удельный эксплуатационный нормообъём двигателя;

т]1 - индикаторный к.п.д.;

5уу - неполнота сгорания топлива от теплообмена; 5нс - неполнота сгорания вследствие несвоевременности сгорания; бс - неполнота сгорания по причине изменения состава рабочего тела; 5Г - по причине изменения температуры рабочего тела.

Обозначения, используемые в работе:

Бсседнн Сергей Леонидович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЕЙ МЕТОДОМ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Подписано в печать 23.11.98. Формат 60x84 1/16 Печать - ризографня. Уел п л. 1,27. Уч.-нздл. 1,06. Тираж 100 экз. Зака1 72/98.

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И И. Ползуном, 656099, г. Барнаул пр-т Ленина, 46.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 020822

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 28-15

Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656099, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

09 -л

/

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет

им. И.И.Ползунова

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЬНЫХ ДИЗЕЛЕЙ МЕТОДОМ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК 621.43.068.001.5

Беседин Сергей Леонидович

Научный руководитель - Новосёлов А.Л., доктор технических наук, профессор, академик Академии Транспорта Российской Федерации

Оглавление

стр.

Введение ............................................................................ 5

1 глава. Состояние проблемы. Цели и задачи исследования...... 9

1.1 Уровни загрязнений, вносимых отработавшими газами автотранспорта..................................................................... 9

1.2 Вредные вещества, выбрасываемые с отработавшими газами дизелей................................................................................ 12

1.3 Нормативы, ограничивающие уровень вредных выбросов...... 17

1.4 Влияние типа рабочего процесса на уровни вредных выбросов

с отработавшими газами дизелей............................................ 21

1.5 Применение каталитических нейтрализаторов в качестве средства снижения токсичности отработавших газов дизелей............ 29

Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования....................... 35

2 глава. Оценка уровней вредных выбросов"транспортных дизелей 37

2.1 Оценка уровней вредных выбросов дизелей........................ 37

2.2 Результаты оценки дизеля 6415/18 по показателям приведённого

эксплуатационного нормообъёма............................................. 56

Выводы по главе 2................................................................ 59

3 глава. Экспериментальная часть работы................................ 60

3.1.1 Экспериментальная установка для исследования дымности и токсичности дизелей.............................................................. 60

3.1.2 Каталитический нейтрализатор конструкции АлтГТУ.......... 63

3.1.3 Методика проведения экспериментального исследования ... 65

3.1.4 Оценка погрешностей измерения и расчётов, методика обработки экспериментальных данных........................................... 68

3.1.4.1 Оценка погрешностей измерений и расчётов.................. 68

3.1.4.2 Методика обработки данных, полученных при исследовании

токсичности отработавших газов дизеля по 13-режимному циклу.... 72 3.1.4.3 Методика обработки данных, полученных по 8-режимному

испытательному циклу А\/1_..................................................... 74

3.1.5 Методика обработки индикаторных диаграмм и использования результатов индицирования для исследования процессов образования токсичных веществ в дизеле............................................. 75

3.2 Результаты экспериментального исследования................... 79

3.2.1 Результаты экспериментального исследования дизеля по внешней скоростной характеристике............................................... 79

3.2.2 Результаты экспериментального исследования токсичности дизеля по 13-режимному циклу............................................... 81

3.2.3 Результаты экспериментальной оценки каталитической нейтрализации отработавших газов нейтрализатором АлтГТУ по 13-режимному циклу.................................................................. 84

3.2.4 Результаты экспериментального исследования дымности и токсичности дизеля по 8-режимному циклу А\/1_........................ 89

3.2.5 Результаты сравнительной оценки уровней шума выпуска дизеля с глушителем КамАЗ и нейтрализатором....................... 95

3.2.6 Повышение эффективности каталитических нейтрализаторов отработавших газов............................................................... 97

3.2.7 Результаты обработки индикаторных диаграмм................. 100

3.2.8 Результаты анализа индикаторного к.п.д. и использования теплоты в цикле дизеля......................................................... 106

3.3 Результаты оценки индикаторных показателей и уровней вредных выбросов дизелей.......................................................... 109

3.3.1 Формулировки рабочих гипотез....................................... 109

3.3.2 Зависимость характеристик колебательных явлений в цилиндре от режима работы дизеля и угла опережения впрыска топлива ... 115

3.3.3 Исследование связи показателей использования тепла в цикле

с уровнями вредных выбросов................................................................................................118

Выводы по главе 3................................................................................................................................120

4 глава. Математическое моделирование процессов образования

вредных веществ в цилиндре дизеля..............................................................................122

4.1 Описание программного комплекса, используемого для моделирования процессов образования вредных веществ в цилиндре ... 122

4.2 Результаты моделирования процессов образования вредных веществ в цилиндре дизеля......................................................................................................125

4.2.1 Оценка сходимости результатов моделирования и экспериментальных данных.......................................... ......................................125

4.2.2 Оценка возможностей воздействия на рабочий процесс путём изменения момента начала подачи топлива............................................128

4.2.3 Оценка влияния степени сжатия дизеля на уровень вредных

выбросов с отработавшими газами..................................................................................130

Выводы по главе 4................................................................................................................................135

Выводы по работе................................................................................................................................136

Список использованной литературы..............................................................................138

Приложения................................................................................................................................................150

Введение

Актуальность работы. Вмешательство человека в окружающую природу увеличивается по мере развития цивилизации и промышленности, и остановить этот процесс невозможно. В связи с этим, задачей человечества в настоящее время явилось ограничение негативного влияния на окружающую среду, её защита и прогнозирование последствий своего вмешательства.

В России сейчас практически во всех крупных городах остро стоит проблема загрязнения воздушного бассейна отработавшими газами автомобильного транспорта, что вызвано отсутствием эффективных средств снижения токсичности отработавших газов, резким увеличением количества автомобилей за последние 5 лет (в некоторых городах произошло удвоение количества личного автотранспорта за этот период времени) и др.

Однако, несмотря на сложную экологическую обстановку, есть и положительные сдвиги в этом направлении. В частности, Россия в настоящее время вступает на путь осуществления широкого круга мероприятий, направленных на защиту окружающей среды при строгом соблюдении законодательств и нормативов. В дополнение к этому, в связи со вступлением России в ЕЭС, она присоединилась к другим странам в осуществлении программ, связанных с охраной окружающей среды в глобальном масштабе, в том числе от вредного воздействия на неё веществ, выбрасываемых с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности, дизелей.

Причина, по которой более пристальное внимание стало уделяться вкладу дизелей в загрязнение окружающей среды, заключается в том, что доля вредных выбросов дизелями зачительна в общих выбросах автотранспортом окислов азота (1МОх) и особенно

твёрдых частиц (ТЧ) и сажи (до 1% по массе от общего расхода топлива). Также известно, что за последние 10 лет значительно увеличилась доля автомобилей с дизельными ДВС и тенденция увеличения их доли в общем выпуске, как предполагается, сохранится и в ближайшем будущем.

Решения данной проблемы можно достичь различными путями, как за счёт совершенствования рабочих процессов, так и с помощью подбора и установки средства снижения токсичности отработавших газов (ОГ), соответствующего транспортному средству, условиям его эксплуатации, а также путём анализа взаимосвязи конструктивных параметров и эксплуатационных условий на уровень вредных выбросов дизеля.

Настоящая диссертационная работа выполнена в период с 1992 по 199 8 годы на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Алтайского государственного технического университета им И.И.Ползунова и посвящена решению вопросов, связанных со снижением вредных выбросов транспортных дизелей.

Целью работы явилось создание эффективных средств каталитической очистки отработавших газов дизелей, определение эффективности снижения вредных выбрсов отдельными методами, создание методики и проведение оценки вредных выбросов транспортных дизелей по различным испытательным циклам.

В теоретической и экспериментальной частях данной работы при обработке полученных данных были использованы математические модели, современная компьютерная техника и соответствующая научная аппаратура.

Объектами исследования явились рабочий процесс и процесс образования токсичных веществ в цилиндре дизеля, состава отработавших газов и шумности выпуска транспортных дизелей многоцелевого

назначения, закономерности изменения индикаторных показателей в зависимости от уровней вредных выбросов.

Научная новизна работы заключается в создании методики сравнительной оценки вредных выбросов по показателям удельного приведённого эксплуатационного нормообъёма с учётом проведённых стендовых испытаний дизеля, в получении данных об уровнях вредных выбросов многоцелевых дизелей 415/18 и установлении возможностей снижения вредных выбросов путём воздействия на рабочий процесс с помощью каталитической нейтрализации, получении данных об изменении параметров рабочего процесса и влиянии этих параметров на уровни вредных выбросов.

Практическая значимость работы заключается в том, что получены данные об уровне вредных выбросов дизеля по 13-режимному испытательному циклу согласно ОСТ 37.001.234-86 и 8-режимному циклу А\/1_, создана и испытана на стенде конструкция каталитического нейтрализатора, способного не только достаточно эффективно снижать уровень вредных выбросов с ОГ, но и выполнять роль глушителя шума. Исследованы направления работ по изменению рабочего процесса в целях снижения вредых выбросов в атмосферу, а также разработана методика оценки вредных выбросов транспортных дизелей.

Апробация работы. Материалы исследований и теоретических разработок по теме диссертации доложены на научно-технических конференциях Алтайского государственного технического университета в 1993-1997 годах, на конференции "Проблемы промышленных СВС-технологий", на международной конференции "Проблемы экологии. Антагонизм или сотрудничество" в г.Белокурихе в 1994 году.

Публикации. Все основные положения диссертации опубликованы в 8 работах, включая одно учебное пособие по целевой подготовке

специалистов. Также разработки защищены тремя патентами Российской Федерации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 125 источников отечественной и зарубежной литературы и приложений. Основная часть работы содержит 149 страниц машинописного текста, 18 таблиц и 33 рисунка.

В соответствии с содержанием работы диссертант представляет к защите:

-результаты экспериментальных исследований токсичности и шумности выхлопа транспортных дизелей;

-результаты оценки токсичности отработавших газов дизелей по показателю удельного эксплуатационного нормообъёма;

-результаты оценки выбросов дизелей по различным методикам и рекомендации по снижению токсичности отработавших газов, в том числе, за счёт каталитической нейтрализации с использованием разработок автора;

-результаты оценки воздействия регулировок топливоподачи и степени сжатия на уровни вредных выбросов дизелей;

-результаты оценки составляющих индикаторного к.п.д. с уровнями вредных выбросов.

Глава 1. Состояние проблемы. Цели и задачи исследования 1.1 Уровни загрязнений, вносимых отработавшими газами автомобилей

Во всех экономически развитых странах автомобильный транспорт по объёму перевозок занимает ведущее место. Во многих странах он также лидирует и по транспортным перевозкам. В нашей стране, например, за последние 20 лет темпы роста пассажирооборота автобусного транспорта намного опередили темпы роста пассажирооборота других видов транспорта, кроме воздушного. Так, за последние 30 лет увеличение пассажирооборота составило: автобусным транспортом - в 63,8 раза, железнодорожным - в 3,5 раза, воздушным - в 134,2 раза [19]. И в настоящее время только с помощью автобусов осуществляется 62% всех пассажироперевозок в городах и около 50% по России в целом [4,67].

Автомобильный парк мира непрерывно увеличивается и превысил 500 млн. единиц. Более того, по прогнозам специалистов, к 2000 году в мире ожидается увеличение численности автомобильного парка до 700 млн.единиц [1,77]. Для г.Барнаула и Алтайского края также характерно резкое увеличение количества автомобилей, находящихся в эксплуатации. Так, по данным Алтайского краевого управления статистики, за период с 1991 по 1995 год количество автотранспорта, находящегося в индивидуальном владении, увеличилось на 25,4%. В Москве же, например, автомобильный парк за последние 3-4 года увеличился вдвое [109].

И при таком значительном увеличении масштабов и росте темпов автомобилизации возникает ряд серьёзных проблем, связанных с вредными для окружающей среды и человека последствиями, сопровождающими этот процесс.

Механизм воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду имеет ряд специфических особенностей по сравнению со многими отраслями промышленности. К таким особенностям относятся:

• массовость и постоянно растущие темпы процесса автомобилизации;

• широкий спектр отрицательных явлений, сопровождающих процесс развития автомобилизации;

• сложности значительного улучшения показателей экологической безопасности автомобиля в ближайшей перспективе;

• концентрация большого количества транспортных средств на сравнительно ограниченной территории и их массовое проникновение в зоны жилой застройки, трудность локализации неблагоприятных последствий (например, в России сейчас в городах сосредоточено 60-70% парка автотранспортных средств);

• хроническое отставание темпов развития дорожной сети от темпов автомобилизации;

• отсутствие эффективных средств снижения токсичности отработавших газов на многих транспортных средствах.

Сочетание этих и других факторов в определённых условиях и по определённым параметрам приводит к доминирующему воздействию автомобильного транспорта на окружающую среду (ОС) [108].

Воздействие автомобильного транспорта на ОС можно проследить по трём основным направлениям: потребление ресурсов, негативные социальные последствия и загрязнение ОС.

В настоящее время большую актуальность приобрела задача рационального использования природных ресурсов, особенно невозобно-вляемых энергетических. Это в полной мере относится к автомобильному транспорту и автомобильной промышленности, входящих в число самых крупных потребителей различного сырья и материалов. В стра-

нах Западной Европы на автомобильный транспорт расходуется около 30% нефтепродуктов, в США и Канаде - до 55, в Японии - более 20%. В России доля транспорта в потреблении топливно-энергетических ресурсов составляет до 20%. На производство автомобилей в США, например, расходуется до 20% стали, 7% меди, 35% цинка, 50% свинца.

Применение автомобиля как массового транспортного средства требует развития сети автомобильных дорог и различных транспортных сооружений, под которые приходится отводить значительные площади, нередко в ущерб другим видам человеческой деятельности. Организация движения требует увеличения территории города и транспортных коммуникаций, площади которых достигают 30-40% территории города, а в некоторых случаях - 50%. И если сравнить автомобильный транспорте другими средствами передвижения, сеть автомобильных дорог с твёрдым покрытием в 5,2 раза превысит длину железнодорожных дорог [108, 32].

Воздействие автомобильного транспорта на ОС сопровождается не только потреблением природных ресурсов, но и сокращением мест обитания и гибелью живых организмов и человека (в дорожно-транспортных происшествиях в мире ежегодно погибает около 250 тыс. человек и ещё около 10 млн. человек получают различные травмы).

В нашей стране автомобильный транспорт вносит значительный вклад в загрязнение ОС, выбрасывая с отработавшими газами (ОГ) до 39% токсичных веществ, выделяемых в атмосферу, в том числе: 34-87% окиси углерода, 40-64% окислов азота, 30% сажи и до 92% углеводородов [1, 7, 27, 54, 75], в то время, как на долю остальных антропогенных источников загрязнения, например, тепловых электростанций, приходится 16% от общего загрязнения ОС, промышленных предприятий - 14% [77]. А в отдельных городах России на долю автотранспорта приходится до 80 и даже до 87% (для г.Москвы)

от общего выброса загрязняющих выбросов в атмосферу [72, 108, 109]. Удельный же вес поршневой энергетики в мире в целом составляет 8085% от всех энергетических средств, включая газовые турбины, атомную энергетику и т.д.[31, 90].

Высокий уровень загрязнения ОС автомо