Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Кульчицкий Алексей Рэмович. Исследование процессов образования и разработка методов снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей внедорожных машин : диссертация... доктора технических наук : 05.04.02 Владимир, 2006 345 с. РГБ ОД, 71:07-5/407

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 6

ВВЕДЕНИЕ 9

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ ВНЕДОРОЖНЫХ МАШИН

1.1. Антропогенное воздействие на окружающую среду 13

1.2. Нормирование выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей внедорожных машин 21

1.3. Основные мероприятия по обеспечению требований стандартов выбросы вредных веществ 37 •

1.4. Расчетно-экспериментальные исследования образования оксидов азота при горении предварительно неперемешанных топлива и окислителя 50

1.6. Расчетно-экспериментальные исследования эмиссии дис персных частиц с отработавшими газами дизелей 74

ВЫВОДЫ по главе 1. Цель и задачи исследования 83

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДА АЗОТА В УСЛОВИЯХ ГОРЕНИЯ, ХАРАКТЕРНОГО ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ, И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИИ "ЗАКАЛЕННОГО" ОКСИДА АЗОТА В ПРОДУКТАХ ГОРЕНИЯ 89

2.1. Общие положения 89

2.2. Исследование образования оксидов азота при периодичном горении предварительно неперемешанных топлива и окислителя 90 .

2.2.1. Экспериментальная установка 80

2.2.2. Влияние соотношения количеств топлива, сгорающег в гомофазном и диффузионном режимх Влияние величины поверхности диффузионного фронта пламени и сажеобразования 99

Оценка степени подвижности реакций образования и разло жения оксида азота в условиях диффузионного горения 104

Разработка феноменологической модели образования оксида азота в условиях горения предварительно неперемешанных топлива и окислителя 109

Разработка математической модели и программы расчета на ЭВМ образования оксида азота в дизеле 117

Проверка адекватности разработанной модели 135

ВЫВОДЫ по главе 2 147

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭМИССИИ ДИС ПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ПО КОСВЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ 149'

Общие положения 149

Исследования эмиссии дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей 150

Экспериментальные исследования степени распада углево дородов, содержащихся в отработавших газах дизелей 162

Разработка модели образования и метода расчета эмиссии дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей 174

ВЫВОДЫ по главе 3 185

РАЗРАБОТКА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦИКЛОВ ИС ПЫТАНИЙ ДИЗЕЛЕЙ ВНЕДОРОЖНОЙ САМОХОДНОЙ ТЕХНИКИ ПО ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 188

Общие положения 188

2. Разработка модифицированных циклов испытаний по оценке выброса вредных веществ и дымности отработавших газов дизелей 189

3. Анализ последствий введения европейских стандартов в России 197

ВЫВОДЫ по главе 4 204

ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕОРЕТИ ЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК ПО УЛУЧШЕНИЮ ЭКОЛОГИ ЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЕЙ ВНЕДОРОЖНЫХ МАШИН 207

1. Общие положения 207

2 Метод формирования внешней скоростной характеристики 208

3. Метод оценки лимитирующих выброс дисперсных частиц компонентов и режимов работы дизеля 219

4. Метод оценки эффективности использования окислителя 238 ВЫВОДЫ по главе 5 249

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 251

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 253

ПУБЛИКАЦИИ В РЕКОМЕНДУЕМЫХ ИЗДАНИЯХ 286 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Негравиметричексие методы измерения содержания дисперсных частиц в отработавших газах дизелей 288'

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа расчета образования оксида азота при горении углеводородных топлив в дизеле с непос редственным впрыском топлива: листинг, перечень услов ных обозначений, пример расчета 298

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Методика расчета эмиссии дисперсных частиц с отработавшими газами: примеры расчета по опре делению лимитирующих выброс дисперсных частиц компо- нентов и режимов испытаний для дизелей с наддувом и без наддува.. 330

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты внедрения результатов работы:

- ОАО "Владимирский моторо-тракторный завод";

- ОАО "ПО "Алтайский моторный завод";

- ОАО "Научно-исследовательский тракторный институт";

- Владимирский государственный университет;

- Камская инженерно-экономическая академия;

- Тюменский государственный нефтегазовый университет. -"9 

Введение к работе:

Актуальность проблемы. ВДСТ являются многочисленным и разнообразным классом машин. В него входят сельскохозяйственная, лесная, строительно-дорожная и коммунальная техника, грузовые автомобили повышенной проходимости и речные суда. При этом более 90% ДВС, установленных на ВДСТ, - дизели.

Снижение выбросов ВВ в ОС с ОГ дизелей, как и всех прочих тепловых двигателей, обеспечивается двумя принципиально различными способами: организацией малотоксичного рабочего процесса и применением средств дополнительной обработки ОГ (нейтрализаторов и фильтров). Естественно, чем выше концентрация ВВ в ОГ, тем выше нагрузка на нейтрализаторы и фильтры и тем быстрее они теряют свою эффективность. Кроме того, применение систем нейтрализации в дизелях явно нерентабельно в связи с более высоким, по сравнению с бензиновыми ДВС, содержанием в ОГ сажи и соединений серы. К тому же стоимость этих систем, и так значительная, дополнительно увеличивается необходимостью применения систем электронного регулирования функционирования отдельных агрегатов и ДВС в целом. В тоже время, резервы снижения выброса ВВ с ОГ за счет организации рабочего процесса далеко не исчерпаны.

Из числа нормируемых ВВ повышенную сложность представляет необходимость одновременного снижения эмиссии NOx и РМ - наиболее токсичных веществ: технические решения, приводящие к снижению эмиссии первых, приводят к росту вторых. При этом в отличие от NOx, которые более чем на 95% состоят из одного вещества - оксида азота N0, РМ - это совокупность множества различных веществ (причем находящихся в различном агрегатном состоянии - жидком и твердом), но нормируемых как единое вещество. Соответственно, для повышения эффективности мероприятий по сниже нию эмиссии РМ необходимо выявление и оценка весомости вклада основных компонентов частиц.

Причина образования ВВ, присутствующих в ОГ, - горение топлива. Характерной особенностью дизеля является периодичное горение предварительно неперемешанных топлива и окислителя. Указанное обстоятельство обуславливает наличие гомофазного и диффузионного типов горения: первый определяется сгоранием топливовоздушной смеси, образовавшейся за период задержки воспламенения, а второй - сгоранием остального количества топлива в диффузионном фронте пламени; при этом отмеченное соотношение зависит от режима работы дизеля. Изучение процессов образования ВВ при горении топлив ограничивались исследованиями для двух крайних типов горения - гомофазного и диффузионного, поэтому необходимо проведение исследований по выявлению механизма влиянии соотношения количеств топлива, сгорающего по двум указанным типам, на образование ВВ.

Процесс образования ВВ протекает в КС и в потоке ОГ (последнее - в ходе охлаждения газов как за счет естественной теплоотдачи, так и перемешивания с атмосферным воздухом). Данное обстоятельство сказывается, в частности, на распаде CnHm на легкие и тяжелые (конденсируемые при температуре ОС) углеводороды и образовании сернистых соединений, что необходимо учитывать при оценке эмиссии РМ.

Экологический уровень ДВС ВДСТ оценивается на основании результатов испытаний двигателей по т.н. испытательным циклам, представляющим собой совокупность строго регламентированных стандартами режимов работы. Например, согласно ГОСТ Р41.96-99 (аналог европейских Правил ЕЭК ООН №96) испытательные циклы включают в себя 8 режимов (из них 6 частичных), а ГОСТ 17.2.2.05-97 - 13 (11 частичных). Таким образом, сохраняя высокие экологические показатели на режимах полной подачи топлива, которым традиционно уделяли основное внимание, требуется проведение ис следований процессов образования ВВ в условиях работы дизеля на частичных режимах.

В связи с изложенным, а также принимая во внимание регулярное (каждые 3...4 года) ужесточение международных норм на содержание ВВ в ОГ дизелей ВДСТ, вполне актуальным является проведение теоретических и экспериментальных исследований образования ВВ как в условиях горения топлива, характерного для дизелей, так и в потоке ОГ, и разработка на основе этих исследований методов снижения выбросов ВВ с ОГ.

Научная новизна. Разработан метод исследования особенностей образования оксида азота N0 в условиях периодичного горения предварительно неперемешанных топлива и окислителя. Выявлен механизм влияния основных факторов, определяющих содержание N0 в ОГ: соотношения количеств топлива, сгорающего в гомофазном и диффузионном режимах, величины поверхности диффузионного фронта горения, уровня сажесодержания. Определена степень подвижности реакции окисления азота в условиях преимущественно диффузионного режима горения. Разработана методика расчета образования N0 в дизеле, базирующаяся на определении количества оксида азота, переходящего из незакаленного в закаленное состояние, в объеме, приведенном к единице изостехиометрической поверхности, и учитывающая характер изменения температуры по нормали к этой поверхности.

Разработан метод определения эмиссии дисперсных частиц по их основным компонентам, учитывающий содержание в отработавших газах тяжелых углеводородов, твердых сульфатов и сажи в зависимости от режима работы дизеля. Получены зависимости долевого содержания тяжелых углеводородов в суммарных для дизелей с наддувом и без наддува, работающих в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. Разработана методика определения лимитирующего выброс РМ компонента и режима работы дизеля.

Разработаны модифицированные циклы испытаний дизелей ВДСТ по оценке экологических показателей на основе анализа их технических характеристик.

Практическую ценность представляют:

• разработанные методики и программы расчета эмиссии ВВ с ОГ дизелей, позволяющие сократить затраты времени и средств на проведении экспериментальных исследований;

• разработанные циклы испытаний по оценке экологического уровня дизелей ВДСТ и малогабаритной техники, используемые в организациях, занимающихся созданием дизелей, их испытаниями и сертификацией.

Апробация работы. Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались на всесоюзных, региональных и международных конференциях и семинарах по проблемам совершенствования рабочего процесса поршневых двигателей и снижения загрязнения окружающей среды выбросами вредных веществ с ОГ двигателей и транспортных средств:

• отраслевые научно-технические конференции (г. Суздаль, 1985; г. Набережные Челны, КамАЗ, 1986; г. Ленинград, ЦНИДИ, 1989);

• региональные конференции "Проблемы загрязнения окружающей среды транспортными средствами" (г. Свердловск, 1990), "Проблемы загрязнения окружающей среды Владимирской области", г. Владимир, 1991) и "Современные средства диагностирования дизельных двигателей автотранспортных средств ", г. Рига, Латвия, 1991);

• конференции Ассоциации автомобильных инженеров (г. Дмитров, ФГУП ГЦ НАМИ-ФГУП НИЦИАМТ, 1989,1995, 1997, 2003, 2005);

• семинары по проблемам совершенствования двигателей (г.Москва, МТУ им. Н.Э. Баумана, 1995; МАДИ (ТУ), 1999);

• VII Международный симпозиум Motor-sympo-90 (г. Высокие Татры, Чехословакия, 1990); международные конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей" (г. Владимир, Владимирский государственный университет, 1993...2005); VIII международная автомобильная конференция " Двигатели для Российских автомобилей" (г. Москва, 2006).

носит название фоновой концентрации загрязняющих веществ, т.е. это количество загрязняющих веществ, содержащихся в единице объема природной среды, подверженной антропогенному воздействию.

Основным источником выбросов ВВ в окружающую природную среду от транспортных средств являются отработавшие газы (ОГ); кроме них источником ВВ являются картерные газы (те же ОГ) и пары топлива, а также продукты износа шин и тормозов, электролит аккумуляторных батарей, тормозная жидкость, масла. Однако, в первую очередь, выброс ВВ в атмосферу - это результат сжигания топлива в цилиндрах двигателя.

Состав отработавших газов ДВС на 99,0...99,9% состоит из продуктов полного сгорания (диоксида углерода и паров воды), неиспользованного кислорода и азота воздуха. Но именно оставшаяся часть отработавших газов (не более 1% от общего расхода ОГ) определяет экологический уровень двигателей, т.е. степень вредного воздействия на окружающую среду: растительный и животный мир, архитектурные строения, атмосферу, почву, воду, в т.ч. и на человека. Состав отработавших газов ДВС зависит не только от типа используемого вида топлива, но и от типа организации и совершенства рабочего процесса двигателя. Поэтому, характеризуя состав ОГ различных типов двигателей, указывают обычно достаточно широкие пределы содержания компонентов (табл.1.1 [16,53,102,175,176]).

Постоянное воздействие ВВ на человека, животных и растения может привести к мутациям на генетическом уровне и к резкому наследственному изменению организмов, меняющие их морфологические (внешнее и внутреннее строение) и/или физиолого-поведенческие признаки. Характер воздействия вредных веществ определяется как их химическим составом, так и величиной концентрации в воздухе. Например [166,167,181,193]:

- оксиды азота NOx: в отработавших газах ДВС присутствуют несколько различных соединений азота с кислородом, но в основном - это оксид азота N0. В отработавших газах дизелей на долю N0 приходится 95.. .98% из всех оксидов, а в двигателях с принудительным воспламенением - 98,0.. .99,5%. Остальное (от 2 до 5%) - диоксид азота N02. При понижении температуры ОГ, попадающих в атмосферу, N0 окисляется до N02. В диапазоне температур 135.. .21 °С N02 находится в смеси с N2O4, а при температуре ниже 21 °С полностью переходит в N204. NO - бесцветный газ, плохо растворим в воде; N02 - бурый газ с удушливым запахом, реагирует с водой с образование азотистой HN02 и азотной кислот НЫОз, которые разрушают легочную ткань, вызывая хронические заболевания, необратимые изменения в сердечно- сосудистой системе. В соединении с углебодородами оксиды азота образуют токсичные нитроолефины, вызывающие заболевания слизистых оболочек верхних дыхательных путей, хронические бронхиты, нервные расстройства;

приводит к удушью. При небольших концентрациях в воздухе приводит к головокружению и тошноте. Поскольку оксид углерода практически имеет ту же плотность, что и воздух (28 против 28,7 г/моль), то самостоятельно улетучивается из помещений очень плохо;

- углеводороды СпНт: самая многочисленная группа соединений. Вызывают неприятный запах, многие хронические заболевания, оказывают общетоксическое и раздражающее воздействие. Некоторые из представителей класса углеводородов, например бенз(«)пирен С20Н12, обладают канцерогенным действием, т.е. способствует развитию онкологических заболеваний;

- альдегиды ЯСНО: обладают резким запахом (особенно - формальдегид). При определенных дозах вызывают раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек носа и глаз. Действие на организм человека характеризуется раздражающим и общетоксическим эффектом на центральную нервную систему, поражением внутренних органов;

- соединения серы 5 и SOy. хорошо растворимы в воде. Обладают резким запахом, вызывают раздражение верхних дыхательных путей, нарушение белкового обмена в организме;

- оксиды свинца РЪО; вещество, которое обладает способностью накапливаться в организме; негативно воздействует на умственные способности, а также внутренние органы, вызывая в них мутагенные изменения;

- сажа С: представляет собой мельчайшие частицы углерода - от долей микрона до десятков микрон; самые мелкие способны по несколько суток витать в воздухе, попадая в легкие человека, вызывают раздражения и заболевания. В отличие от сухой сажи промышленной сажа, содержащаяся в ОГ ДВС, несет на себе частицы несгоревших углеводородов топлива и масла;

- дисперсные частицы РМ\ растворимые и нерастворимые вещества, находящиеся в ОГ, у которых можно произвести измерение размера (т.н. аэродинамического диаметра, значение которого изменяется от нескольких нанометров до нескольких микрометров). Степень влияния на здоровье людей определяется размером РМ. Дисперсные частицы, имеющие аэродинамический диаметр не более 2,5 цм, обозначают РМ2,5. Частицы с размером 2,5... 10 [Ш1 обозначают РМю Наибольший вред наносят РМЮ. Они могут свободно проникать в легкие человека вместе с вдыхаемым воздухом. Из этой категории РМ наибольший вред человеку наносят частицы размером не более 0,1 мкм, хотя по массе они составляют небольшую долю от всех частиц (рис. 1.2 [ 51 ]).

Дисперсные частицы, выбрасываемые с ОГ автомобильного транспорта, обуславливают содержание в воздухе населенных мест до 10...17% от всех РМЮ, источником которых является человеческая деятельность. В случае отсутствия крупной промышленности в городах эта цифра может достигать 75%. Для более мелких частиц эти цифры, в среднем, составляют 20% для РМ2,5 и 40% для РМ1,0 [235 ].

Подобные работы
Ершов Юрий Борисович
Исследование образования хлорсодержащих компонентов топочных газов и разработка методов снижения высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева котлов при сжигании "соленых" углей.
Кривяков Сергей Васильевич
Многопараметровая оптимизация рабочего процесса дизеля по расходу топлива и выбросам вредных веществ с отработавшими газами
Гиринович Михаил Петрович
Исследование процессов образования оксидов азота при сгорании топлив в перспективных дизелях
Карасев Вячеслав Александрович
Исследование процесса сгорания и образования токсичных веществ в двигателе с двухстадийным сгоранием
Бангоян Эмиль Гайкович
Разработка методов и средств снижения шума выпуска дизелей автопогрузчиков (на примере дизеля автопогрузчика ДВ-1792М)
Макаревский Андрей Сергеевич
Разработка методов расчета сажеобразования и снижение дымности отработавших газов при набросе нагрузки дизеля
Новоселов Алексей Александрович
Снижение вредных выбросов транспортных дизелей методами каталитической нейтрализации отработавших газов в пористых СВС-блоках
Шибанов Антон Владимирович
Влияние конструктивных и регулировочных факторов на образование вредных веществ в быстроходном дизеле, конвертированного на природный газ
Котов Владимир Юрьевич
Моделирование и исследование процессов в пограничном слое при испарении диспергированного топлива в условиях химической неравновесности
Махкамов Хамидулла Хайруллаевич
Расчетно-экспериментальное исследование рабочего процесса свободнопоршневого двигателя стирлинга.

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net