автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение экологических показателей двигателя с принудительным зажиганием путем совершенствования системы каталитической нейтрализации отработавших газов

Термины и определения.

Введение.

Глава I. Анализ проблемы снижения вредных выбросов автомобильными бензиновыми двигателями и пути ее решения.

1.1 Экологические проблемы автотранспортного комплекса.

1.2 Нормирование вредных выбросов автотранспортных средств.

1.3 Методики расчета суммарной удельной токсичности АТС на основе санитарных нормативов.

1А Конструктивные и технологические особенности каталитических нейтрализаторов для автомобилей с бензиновыми двигателями.

1.5 Выводы. Постановка цели и задач диссертационной работы.

Глава 2. Расчетно-аналитические исследования нейтрализаторов.

2.1 Математическое моделирование процессов тепломассообмена в двигателе с целью расчета параметров отработавших газов.

2.2 Моделирование процессов теплообмена в системе выпуска двигателя на участке до нейтрализатора.

2.3 Тепловой баланс нейтрализатора.

2.4 Математическое моделирование термохимических процессов в нейтрализаторе.

Глава 3. Объекты, оборудование и методы исследований.

3.1. Семейство нейтрализаторов для автомобилей ВАЗ и

3.2. Объекты исследований и используемое исследовательское оборудование

3.3. Методики исследований нейтрализаторов на эффективность, надежность и ресурс.

Глава 4. Лабораторно- дорожные исследования показателей нейтрализаторов для автомобилей ВАЗ и

4.1 Разработка конструкции каталитических нейтрализаторов для автомобилей ВАЗ и УАЗ.

4.2 Исследования и доводка показателей эффективности нейтрализации вредных выбросов отработавших газов двигателя.

4.3 Исследование и доводка показателей надежности нейтрализаторов.

4.4 Исследование влияния количества драгметаллов в катализаторе на эффективные показатели и ресурс нейтрализатора.

Проблема борьбы с загрязнением окружающей среды вредными выбросами автомобильного транспорта остается одной из наиболее острых и трудно решаемых. Непрекращающийся рост мирового автомобильного парка, особенно в городах и промышленных мегаполисах, усугубляет проблему, приводя к критическому загрязнение атмосферы. Производители автотранспортной техники и комплектующих к ней обращают особое внимание на разработку систем и устройств, эффективно снижающих выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Наиболее эффективной и распространенной системой для автомобилей с бензиновым двигателем является бифункциональная система нейтрализации вредных веществ отработавших газов. Каталитический нейтрализатор является основной составляющей такой системы.

Производители нейтрализаторов постоянно ведут работу над совершенствованием его конструкции и технологии, добиваясь повышения эффективности конверсии вредных веществ и снижения его стоимости. Исследованию процессов, происходящих в нейтрализаторе и системе выпуска в целом на различных режимах работы двигателя, и результатам работ по созданию на ОАО «АвтоВАЗагрегат» новых нейтрализаторов для автомобилей ВАЗ, ИЖМАШ и УАЗ посвящена представляемая диссертационная работа. Выполненные в рамках представленной работы исследования проводились в соответствии с планами НИР и ОКР ОАО «АвтоВАЗагрегат» и ОАО «АвтоВАЗ».

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ АВТОМОБИЛЬНЫМИ БЕНЗИНОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ

1.1. Экологические проблемы автотранспортного и производственного комплекса

Использование автомобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Моторизация общества выдвигает ряд серьезных социальных проблем. Одной из наиболее значимых является проблема экологии. Загрязнение окружающей среды вредными компонентами отработавших газов двигателей, виброакустические воздействия, нарушение ландшафта за счет развития транспортной сети и загрязнение его неутилизированными отходами от использования транспортных средств влияют на окружающую среду, флору и фауну на макро- и микроуровнях и, как следствие, оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье человека. Среди этих воздействий транспортных средств наиболее неблагоприятно сказывается на здоровье человека выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателей. Такое отрицательное воздействие проявляется как через прямое отравление организма человека выбрасываемыми в атмосферу с отработавшими газами двигателей оксидами углерода и азота, гаммой углеводородных соединений, среди которых имеются вещества, обладающие психотропными и канцерогенными свойствами, так и через косвенное воздействие посредством влияния на климатические условия. Поэтому проблема борьбы с загрязнением окружающей среды вредными выбросами автомобильного транспорта остается одной из наиболее острых и трудно решаемых. В это же время непрекращающийся рост мирового автомобильного парка, особенно в городах и промышленных мегаполисах, только усугубляет проблему, приводя к критическому загрязнению атмосферы. Все вышеперечисленное требует принятия радикальных мер: организационных и технических на государственном уровне.

Для разработки и осуществления этих мер во многих промышленно-развитых странах приняты государственные экологические программы, например, программы Auto-Oil I и Auto-Oil II в странах Европейского Союза, Федеральные и региональные программы США, разработанные в рамках Закона о чистом воздухе [6, 8, 22, 28]. В Российской Федерации в рамках закона «Об обеспечении экологической безопасности автомобильного транспорта» и Концепции развития автомобильной промышленности действуют ряд федеральных региональных программ. Так, например, в Москве разработана Концепция экологически чистого автомобиля и реализуется многоцелевая программа по уменьшению негативного влияния автотранспорта на окружающую среду города. Эта программа включает как первоочередные этапы работ по совершенствованию экологических параметров уже находящихся в эксплуатации транспортных средств, модернизации конструкции выпускаемых промышленностью автомобилей, внедрению более чистых топлив, так и проведение НИР и ОКР на ближнюю и дальнюю перспективы [25]. К ближней перспективе можно отнести работы по переводу части транспорта на питание двигателей газообразным топливом и диметилэфиром, разработку комбинированной энергетической установки на основе тяговых аккумуляторов и двигателя внутреннего сгорания. К далекой перспективе относится комплекс работ по созданию автотранспортных средств с электроприводом и энергетической установкой на основе топливных элементов «водород-воздух».

За последние 25 лет в результате значительного роста мирового автомобильного парка (с 220 млн. шт. в 1970 г. до 671 млн. в 2002 г.) автомобильный комплекс, то есть производство и эксплуатация автотранспортных средств (АТС), стал одним из основных источников загрязнения атмосферы [22, 25]. Поэтому снижение негативного воздействия автомобиля на окружающую среду, как в процессе его производства, так и при эксплуатации, является актуальной проблемой современности и привлекает к себе большое внимание ученых, правительств и общественности во всех странах мира. Решение этой проблемы во многом зависит от обоснованного нормирования, объективности и экономической доступности (с точки зрения организации работ) методов контроля вредных выбросов автомобилей.

Воздействие автотранспорта на окружающую среду многогранно, оно включает в себя энергетические загрязнения, такие как шум, вибрация, электромагнитные излучения и материальные (газообразные, жидкие и твердые). Автомобиль в эксплуатации является источником выделения в атмосферу гаммы вредных веществ прямо или косвенно ухудшающих ее экологическое состояние. В результате сгорания топлива и проникающих в камеры сгорания смазочных материалов, выброса компонентов различных типов присадок и продуктов износа деталей двигателя отработавшие газы содержат две основные группы вредных выбросов [7]:

• оказывающие прямое негативное воздействие на организм человека и окружающую среду (оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, в том числе ароматического ряда, различного типа кислоты, соединения свинца, серы);

• оказывающие косвенное негативное воздействие, являясь причиной глобальных экологических катастроф, таких как образование фотохимического "смога", "парникового эффекта", "озоновых дыр" и др. (двуокись углерода, кислородосодержащие углеводороды, метан и твердые частицы).

В процессе производства автомобилей и их отдельных частей, например, нейтрализатора, наносится экологический ущерб за счет загрязнения окружающей среды вредными выделениями в атмосферу, через используемую в производственном обороте воду, виброакустические воздействия на человека, выделения тепла и электромагнитные излучения, нерециклируемые отходы производства.

Влияние различных компонентов отработавших газов автомобилей на организм человека и окружающую среду весьма различно и может быть в первом приближении оценено санитарными нормами. Для этого введены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в окружающем воздухе: максимально-разовые и среднесуточные, которые постоянно пересматриваются по мере выявления их негативного воздействия.

В настоящее время законодательными актами Российской Федерации и ряда других стран СНГ нормируется большое количество вредных веществ в атмосфере. Однако только незначительная часть из них выбрасывается автотранспортными двигателями с отработавшими газами и только оксид углерода, углеводороды (суммарно), оксиды азота и твердые частицы и формальдегид нормируются стандартами, ограничивающими выброс вредных веществ автотранспортом.

Оценка влияния АТС на окружающую среду проводится через расчет суммарных приведенных (валовых) выбросов вредных веществ. У нас в стране и за рубежом имеются методики такого расчета, которые будут рассмотрены ниже [18]. Основой этих методик является приведение всех выбрасываемых АТС вредных веществ к одному базовому с учетом коэффициента их экологической опасности. Коэффициенты опасности даются на основании принятых в стране санитарных норм, то есть ПДК. Валовой выброс вредных веществ в атмосферу городов определяется количеством автомобилей, находящихся в эксплуатации, жесткостью установленных законом предельно допустимых норм на выброс ими вредных веществ с отработавшими газами двигателя, реальным техническим состоянием автомобилей и, в частности, двигателей и внешними факторами: атмосферное давление, температура, влажность, условия эксплуатации автомобиля и др. [8].

Прогноз валовых выбросов вредных веществ автотранспортом до 2005 года, рассчитанный с учетом роста автомобильного парка, сокращения удельных выбросов всеми категориями автомобилей и повышения культуры их обслуживания в эксплуатации, представлен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Рост валовых выбросов вредных веществ автотран с п орто м

Среди отраслей экономики России транспортный комплекс является крупнейшим загрязнителем окружающей среды. В масштабах страны доля транспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу от всех источников достигает 45%, в выбросах "климатических" газов - порядка 10%, в массе промышленных отходов - 2%, в сбросах вредных веществ со сточными водами - около 3%, в потреблении озоноразрушающих веществ - не более 5%. Доля автотранспорта в общих выбросах вредных веществ в странах Западной Европы составляет около 35 %, в городах этот показатель значительно выше и в отдельные периоды может достигать 60.80 %. Так в 2002 г. из 24,3 млн. т вредных выбросов от автомобильного транспорта доля оксида углерода составила 74%, углеводородов суммарно - 10%, оксидов азота - 13,4%, сажи - 0,4%, диоксида серы - 1,8%, свинца - 0,02%.

Причем, начиная с 1995 г, вредные выбросы в атмосферу от АТС монотонно растут.

Хотя метан и диоксид азота не являются ядовитыми газами прямого действия, но они способствуют созданию «парникового эффекта», и поэтому решениями Международного Киотского Соглашения введены квоты на их выброс в атмосферу для разных стран в зависимости от их промышленного потенциала [28]. баланс приведенных выброс

Рис. 1.2. Баланс вредных веществ, выбрасываемых автомобильным транспортом

Кардинальным решением уменьшения вредных выбросов автомобилями является система нейтрализации отработавших газов, основным элементом которой является каталитический нейтрализатор. К его конструкции и выходным параметрам предъявляются жесткие, часто противоречивые, требования по эффективности, надежности и ресурсу работы, согласованности с работой всех других систем и узлов автомобиля. Немаловажное значение придается суммарному экологическому воздействию нейтрализатора на окружающую среду, как при его производстве, так и в процессе эксплуатации. Это требует отработанной методологии оценки экологичности автомобильного нейтрализатора на всех стадиях его жизнедеятельности. Однако, несмотря на большое количество исследований по этой проблеме, методология оценки жизненного цикла автомобильного нейтрализатора до сих пор не создана [8, 19, 20, 53].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Кардинальным решением проблемы уменьшения вредных выбросов автомобилями является система нейтрализации отработавших газов, основным элементом которой является каталитический нейтрализатор. К его конструкции и выходным параметрам предъявляются жесткие, часто противоречивые, требования по эффективности, надежности и ресурсу работы, согласованности с работой всех других систем и узлов автомобиля.

2. Проведенные исследования позволили решить ряд научных задач по проблеме тепло- и массообмена в системе выпуска двигателя и нейтрализаторе, для чего были разработаны:

• расчетно-аналитический метод для поэтапного определения температурного состояния рабочего тела на стадии такта выпуска ДВС, на отдельных участках выпускного трубопровода и на входе в нейтрализатор с учетом изменения режимных параметров двигателя и тепловых потерь в трубопроводе и нейтрализаторе. Метод позволяет прогнозировать изменение уровня рабочей температуры на катализаторе на любых режимах работы ДВС, в том числе, и на режимах, характеризующихся дефицитом температуры отработавших газов (режимы холостого хода и малых нагрузок), с учетом места расположения нейтрализатора в выпускном тракте двигателя, теплофизических свойств материала трубопровода, наличия его теплоизоляции и др.

• методика определения кинетических параметров процесса окисления СО и СН в нейтрализаторе, позволяющая проводить предварительную сравнительную оценку окислительных свойств используемых катализаторов.

3. Разработан проект Государственного технического регламента Российской Федерации «Каталитические нейтрализаторы отработавших газов автомобильных двигателей внутреннего сгорания с принудительным зажиганием. Технические требования и методы испытаний.», включающий комплекс методик ускоренных моторных испытаний на эффективность, надежность и ресурс, позволяющих оперативно оценивать новые и модернизированные конструкции нейтрализаторов и проводить их периодический контроль с целью поддержания параметров выпускаемой продукции на уровне требований международных стандартов.

4. Проведены исследования нейтрализаторов с керамическими блоками разной размерности, имеющими различную загрузку и состав катализаторов на основе платины, палладия и родия, которые позволили снизить потребление драгметаллов платиновой группы и соответственно их стоимость.

5. С использованием результатов исследований разработан и освоен в производстве на заводе ОАО «АвтоВАЗагрегат» типоразмерный ряд нейтрализаторов для автомобилей ОАО «АвтоВАЗ» и ОАО «УАЗ», обеспечивающий выполнение нормативных требований ЕВРО-2 и ЕВРО-3 по токсичности и ресурс работы до 80 ООО км в соответствии с требованиями Правил 83.04 ЕЭК ООН.

1. Большаков А. М. Автомобильные каталитические конвертеры// Химическая технология- 2000.-№ 1- с. 2- 12

2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

3. Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. Орлина А.С., Круглова М.Г.- М: Машиностроение, 1983.- 372 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания / А.С. Хачиян, К.А. Морозов, В.Н.Луканин и др.; Под ред. В.Н.Луканина. 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1985. - 311 с.

5. Двигатели внутреннего сгорания. В 4 т. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1980 - 85 гг.

6. Дербарембдикер А.Д., Трофименко Ю.В. Правовое обеспечение экологической чистоты автотранспортных средств// Автомобильная промышленность. 1992. - № 2. - с. 6 - 8.

7. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

8. Звонов В.А. , Козлов А.В., Кутенев В.Ф. Экологическая безопасность автомобиля в полном жизненном цикле. М.: НАМи, 2001.-248 с.

9. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Справочное пособие. Л.: Недра, 1987. - 336 с.

10. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М. Энергия, 1975

11. Каменев В. Ф., Алешин С. В., Апелинский Д. В. Введение новых норм токсичности Евро- 4 и модернизация программы испытаний //

12. Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров:- Докл. Междун. научно-техн. конф. ААИ, секция «Экология производства и эксплуатации автотракторной техники». 25-26 сентября 2002 г.-М., 2002-С. 18

13. Карышев А.К., Лапин Ю.Д., Симонов В.П. Теплофизика. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 108 с.

14. Конструкция автомобиля. Том II. Двигатель /Райков И.Я., Макаров А.Р. и др.-М.:МАМИ, 2001.-568 с.

15. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968. - 720 с.

16. Кутенев В.Ф., Игнатович И.В., Топунов В.Н. Теория и практика оценки токсичности двигателей суммарным показателем// Автомобильная промышленность. 1981. - № 3. - С. 8 - 9.

17. Кутенев В.Ф., Звонов В.А., Козлов А.В. Оценка экологичности конструкции автомобиля по методике полного жизненного цикла// Проблемы конструкции двигателей: Сб.науч.тр./НАМИ.-1998.-с.З-11.

18. Кутенев В.Ф., Звонов В.А., Корнилов Г.С., Козлов А.В., Панков Д.П. Анализ соотношения между ущербом от выброса вредных веществ и эконалогом на транспорт.// Проблемы конструкции двигателей и экология: Сб. науч. тр./НАМИ.-1998.-е. 171-178.

19. Леонтьев А.И., Иванов B.JL, Манушин Э.А., Осипов М.И. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.-592 с.

20. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Автомобильный и городской транспорт. -1993.-е. 1-136.

21. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука. - 1965. - 175 с.

22. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.: Машиностроение, 1989. 559 с.

23. Наука Москвы и регионов. М., 2002. -№ 1,

24. Орлин А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Под редакцией Орлина А.С. и Круглова М.Г.// Теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983. - 375 с.13.

25. Павловский А.Н. Измерение расхода и количества жидкостей, газов и паров, 1951.

26. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы / Б. Болин, Б.Р. Дис, Дж. Ягер, Р. Уоррик // Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.- 557 с.

27. Правила ЕЭК ООН № 83.03. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении выделяемых ими загрязняющих веществ.

28. Попова Н.М. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта. Алма-Ата: Наука, 1987.-227 с.

29. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Высшая школа. - 1975. - 320 с.

30. Ривкин C.J1. Термодинамические свойства газов.- М.: Энергия, 1973.- 288 с.

31. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М. : Наука. - 1971. - 192 с.

32. Стефановский Б.С. и др. Испытания двигателей внутреннего сгорания. -М.: МАШГИЗ, 1972.

33. ГОСТ Р 51832-2001 Двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, работающие на бензине, и автотранспортные средства полной массой более 3,5 т, оснащенныеэтими двигателями. Выбросы вредных веществ. М.: Госстандарт России., -2002.

34. Baba, N., Ohsawa, К. and Sugiura, S. (1996). Numerical Approach for Improving the Conversion Characteristics of Exhaust Catalysts Under Warming-Up Condition. SAE Paper 962076.

35. Benson R.S., et al. The thermodynamics and Gas dynamics of Internal Combustion Engines.- Oxford: Clarendon Press, 1982 -86.

36. Chan, S. H. and Zhu, J. (1996). The Significance of High Value of Ignition Retard Control on the Catalyst Light off. SAE Paper 962077.

37. Collier John G. (1972). Convective boiling and condensation. New York: McGraw-Hill Book Company.

38. Eade, D., Hurley, R. G., Rutter, В., "Fast Light off Underbody Catalyst Using Exhaust Gas Ignition (EGI)," SAE Paper 952417, 1995.

39. Hauman D.J. et al. A Multi-step overall kinetic mechanism for the oxidation of hydrocarbons.//Combust. Sci. Technol. 1981. - 25. P. 219235.

40. Heck, R. M., Hu, Z., Smaling, M., Amundsen, A. and Bourke, M. C. (1995). Close Coupled Catalyst System Design and ULEV Performance After 1050oC Aging. SAE Paper 952415.

41. Koltsakis, G. C., Konstantinidis, P. A. and Stamatelos, A. M. (1997). Development and Application Range of Mathematical Models for 3-Way Catalytic Converters. Applied Catalysis B: Environmental 12 (1997), pp.161-191.

42. Konstantinidis, P. A., Koltsakis, G. C. and Stamatelos, A. M. (1997). Transient Heat Transfer Modeling in Automotive Exhaust Systems. Proc Instn Mech Engrs, Vol. 211, Part C.

43. Kuo, J.C, C.R. Morgan and H.G. Lassen. (1971). Mathematical modeling of CO and HC catalytic converter systems. SAE Paper 710289.

44. V.Koutenev, V.Kamenev, U.Jamolov, I.Kobez, R.Vshivtsev. Methods and results of accelerated tests of catalytic converters on efficiency and reliability. Book of abstracts XXVI1 congress and CD ROM, FISITA-98, Paris, 1998.

45. Langen, P., Theissen, M., Mallog, J. and Zielinski, R. (1994). Heated Catalytic Converter Completing Technologies to Meet LEV Emission Standards. SAE paper 940470.

46. Lee, S. T. and Aris, R. (1977). On the Effects of Radioactive Heat Transfer in Monolith. Chemical Engineering Science, Vol. 32, pp. 827-837.

47. Wendland, D. W. (1993). Automotive Exhaust System Steady State Heat Transfer. SAE 931085.

48. Gulati, S. T. (1991). Ceramic Converter Technology for Automotive Emissions Control. SAE paper 911736.

49. Oh, S. H., Cavendish, J. C. and Hegedus, L. L. (1980). Mathematical Modeling of Catalytic Converter Light off: Single- Pellet Studies. AICheE Journal, Vol. 26, No.6.

50. Tamura, N., Matsumoto, S., Kawabata, M., Kojima, K., and Machida, M. (1996). The Development of an Automotive Catalyst Using a Thin Wall (4 mil/400cpsi) Substrate. SAE paper 960557.

51. Tanaka H. Excellent OSC Catalyst for High Temperature Applications. // XXVI FISITA congress. Praga. - 1996. - p. 31.

52. Sullivan J.I., Costic M.M., Han W. Modifying automotive life-cycle assessment//Automotive Engineering International.-1998,-Jul.

53. Vaneman G.L. Performance comparison of automotive catalytic converters: metal vs ceramic substrates// XXII FISITA congress. 1 905115. - 1990.