Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Модели и методы регулирования снижения вредных выбросов в дизельном двигателе
Введение
Общая характеристика работы. С каждым годом в РК увеличивается количество автомобильного транспорта и возрастает техногенное воздействие вредных выбросов транспорта на окружающую среду. Более 40% токсичных веществ и сажи поступает в атмосферу с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания, в том числе, в общих выбросах окислы азота (NOx) составляют - 64%, сажа - 30%. Удельные выбросы дизелей при работе на режимах полной нагрузки достигают: по окислам азота - 10…30 г./(кВт.ч); по твердым частицам, включая сажу - 0,25…2,0 г/(кВт.ч), по окиси углерода 1,5…12,0 г/(кВт.ч), по углеводородам суммарно (СхНу) - 1,5…8 г/(кВт.ч). Вместе с тем в Европейском сообществе введен международный стандарт ЕВРО - 4, ограничивающий вредные выбросы дизелей до следующих предельных значений: по NOx - до 3,5 г/(кВт.ч), по СО - до 1,5 г/(кВт.ч), по твердым частицам до - 0,02 г./(кВт.ч), по СхНу - до 0,3 г/(кВт.ч).
Дизелизация транспорта, надежды на которую связывались в ХХI веке, столкнулась с проблемами снижения уровней вредных веществ и в первую очередь с NOx и сажей. Для уменьшения образования NOx и сажи в цилиндре двигателя необходимо провести более глубокий анализ механизмов образования окислов азота в условиях, характерных для камер сгорания дизеля.
Актуальность работы. Вредные компоненты отработавших газов дизелей приводят к сложным заболеваниям и являются основным источником образования фотохимического смога в атмосфере. Опасные последствия имеют токсичные компоненты ОГ автомобиля окись углерода (СО), окислы азота (NOx), сажа и несгоревшие углеводороды (СхНу). Исследования образования вредных веществ и борьба с ними в дизельных двигателях требует понимания основ процессов смесеобразования, самовоспламенения и горения. Эти процессы являются сложными и для детального их изучения требуются большие затраты. Проблеме снижения токсичности и дымности отработавших газов дизелей посвящено множество отечественных и зарубежных научных работ. Большой вклад в изучение вопросов, связанных с повышением экологической безопасности дизелей, внесли ученые: В.Л. Аксенов, В.В. Горбунов, Р.И. Жегалин, В.А. Звонов, К.Б. Ермекбаев, Ж. Сазаев, Р.В. Малов, А.М. Сайкин, В.И. Смайлис и другие. Результатами проведенных ими исследований являются обобщение данных по содержанию в отработавших газах токсичных компонентов и методики расчетов их концентраций в цилиндре дизеля, разработка методов и средств очистки ОГ, математические модели процессов. Для разработки эффективных мер по уменьшению NOx и сажи необходимо рассмотреть значимость возможных механизмов их образования. Диссертационные исследования выполнены в рамках плана научно-исследовательских работ Алматинского института энергетики и связи (АИЭС), направленных на охрану окружающей среды.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование механизмов образования сажи и оксидов азота, а также создание математических моделей расчета для улучшения экологических характеристик транспортного дизеля. В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
- провести анализ механизмов образования сажи и оксидов азота в условиях, характерных для камеры сгорания дизеля;
- разработать математическую модель для расчета образования оксидов азота в цилиндре дизеля с учетом всех рассмотренных механизмов;
- разработать аналитическую модель расчета каталитического нейтрализатора;
- провести экспериментальные исследования и выполнить проверку адекватности моделей расчета образования NO в дизельном двигателе.
- провести расчетные и экспериментальные исследования возможных направлений уменьшения NO и сажи в современных дизелях.
Основная идея работы. Используя в комплексе механизмы и кинетику образования сажи и NO, а также классические методы математического моделирования и оптимизации, физические методы анализа, известные методы подавления токсичных веществ и экологические методы оценки, разработать рекомендации по снижению вредных веществ сажи и оксидов азота в ОГ перспективных дизелей.
Методы и объект исследования. Методология моделирования процесса образования сажи и оксидов азота при сгорании топлива в цилиндре дизеля представляет собой сочетание расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Для проведения расчетно-теоретических исследований была разработана математическая модель образования сажи и оксидов азота в цилиндре дизеля, базирующаяся на уравнениях термодинамики и основных положениях химической кинематики. Для проверки адекватности разработанной модели проводились экспериментальные исследования. Объектом исследования являлся дизельный двигатель КамАЗ-740.
Научную новизну составляют:
· Результаты анализа механизмов образования сажи и оксидов азота в условиях, характерных для камеры сгорания дизеля и рекомендации для снижения вредных выбросов современных дизелей;
· Теоретическое обоснование необходимости обеспечения гомогенного смесеобразования и сгорания в дизелях, а также использовании альтернативных топлив для перспективных дизельных двигателей;
· Аналитическая модель расчета каталитического нейтрализатора и рекомендации по его проектированию;
· Расчетные и экспериментальные возможности регулирования уменьшения образования сажи и NO в современных дизелях.
Научные положения, выносимые на защиту:
· Методика расчета образования сажи и оксидов азота в условиях, характерных для камеры сгорания дизеля на основе новых механизмов;
· Модель расчета каталитического нейтрализатора и методы регулирования снижения вредных выбросов;
· Расчетные и экспериментальные результаты исследования уменьшения образования сажи и NO в дизельном двигателе.
Практическая ценность. Разработанные математические модели расчета образования сажи и оксидов азота в цилиндре дизеля позволяют глубже понять кинетику рабочего процесса в условиях дизеля. Особое значение использование разработанных моделей имеет при проведении поисковых исследований, направленных на создание перспективных дизелей, где сгорание топлива происходит при низких температурах, например, в дизелях с организацией гомогенного смесеобразования и сгорания или в дизелях, работающих на альтернативных топливах.
Научная значимость работы обеспечена выявлением основных механизмов способствующих образованию вредных выбросов в цилиндре дизелей и научным обоснованием улучшения экологичности транспортных дизелей с использованием каталитического нейтрализатора.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций. Результаты обладают необходимой степенью достоверности, так как подтверждаются хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных, и сравнением результатов исследования с другими авторами.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендации обеспечивается использованием известных методик и современных измерительных приборов с оценкой погрешности измерений, а также актами внедрения.
Апробация практических результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований снижения вредных выбросов дизеля использованы в вузах и автотранспортных предприятиях: АО «Казавтотранс» г. Алматы, ТОО «УМС-1» г. Усть-Каменогорск. Материалы диссертации используются в учебном процессе ТарГУ им. М.Х. Дулати и АИЭС.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на международных научно-практических конференциях в КазАТК им. М. Тынышпаева (г. Алматы, 2006 г., 2007 г.), ЮКГУ им. М. Ауезова (Шымкент, 2007 г.), в АИЭС (г. Алматы, 2008 г.), в ТарГУ им. М.Х. Дулати (Тараз, 2009 г.). А также научные статьи опубликованы в журналах, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.
Личный вклад автора. Автором обоснована актуальность работы, модернизирован лабораторный стенд, проведены теоретические и экспериментальные исследования, а также обобщены полученные результаты в виде расчетных уравнений, заключений и рекомендаций.
Структура диссертационной работы в связи с поставленными задачами состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
Основная часть
нейтрализатор азот экологический дизель
Во введении дана краткая оценка современного состояния проблемы, обоснование актуальности разрабатываемой темы, сформулированы цель работы и основные задачи, направленные на ее достижения, а также отмечены научная новизна и практическая значимость, полученных результатов, изложенных в диссертации.
В первом разделе диссертации представлен анализ основных направлений, перспектив развития транспортных двигателей и пути улучшения экологических показателей дизеля. Транспортные машины в ХХI веке оснащены в основном дизельными моторами и пока по эффективности и экономичности не уступают другим двигателям. Например, удельная масса дизелей за этот период была снижена почти в 2 раза за счет форсирования их мощности путем повышения частоты коленчатых валов и применения турбонаддува. Однако прогноз на перспективу показывает, что по ряду показателей двигатели внутреннего сгорания (ДВС) не отвечают требованиям двигателей будущего. Дальнейшее повышение габаритной мощности двигателей, улучшение тяговой характеристики, снижение токсичности отработавших газов, уменьшение трудоемкости обслуживания и другие проблемы, решение которых затруднено при использовании только двигателей внутреннего сгорания, требуют интенсивных работ по разработке и внедрению новых типов силовых установок для машин наземного транспорта. Тем не менее, в основном для наземного транспорта сейчас и, очевидно, и до 2030 года будут преимущественно использоваться двигатели внутреннего сгорания. Хотя все современные средства транспорта являются источником загрязнения атмосферы, наиболее интенсивным и чаще других вызывающим загрязнение атмосферы являются автомобильные двигатели, на долю которых, например, в США приходится 20% всей вырабатываемой энергии и 60% загрязнения воздуха. Двигатели внутреннего сгорания сложны по конструкции, что объясняется необходимостью преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, наличием органов газораспределения. С другой стороны, ежегодно возрастающие требования по топливной экономичности, по использованию альтернативных топлив и снижению токсичности отработавших газов (ОГ) требуют поиска новых решений в двигателестроении. За последние три десятилетия развитие карбюраторных двигателей в направлении улучшения процесса сгорания, уменьшения ОГ и повышения механического КПД, включая снижение потерь на газообмен, имело следствием понижения удельного расхода топлива (go) с 312 до 245 г./кВт ч при удовлетворении нормативным требованиям на токсичные выбросы. Совершенствуется управление газодинамическим состоянием заряда и способов его поджигания, повышаются антидетонационные свойства двигателей и октановое число бензинов. Тем не менее все современные бензиновые двигатели требуют дополнительное оборудование для уменьшения токсичности и очистки ОГ. Однако, если не будут найдены необходимые меры по улучшению характеристик бензинового двигателя, то он не будет конкурентоспособен с другими тепловыми двигателями. Наиболее перспективным среди поршневых двигателей являются дизели. Совершенствование дизелей идет уже много десятилетий. Хотя выпуск дизелей возрос, но темпы дизелизации ниже, чем ожидались, т.к. достижение высоких показателей двигателя требует все больше финансовых затрат. Причиной этого является повышение топливной экономичности и жесткие требования по токсичности и дымности отработавших газов дизелей. В настоящее время уже определились характерные направления в развитии современных дизелей и дизелей будущего: расширение применения наддува и охлаждения наддувочного воздуха; использование возрастающих возможностей электроники в системах управления двигателем; создание экологичного «адиабатного» турбокомпаундного дизеля.
Важными являются вопросы по использованию альтернативного топлива, керамических материалов и нейтрализаторов в современных дизелях. За последние 10-15 лет средний удельный эффективный расход топлива (g0) снизился примерно на 15% для дизелей грузовых автомобилей и составил 200 г./кВт ч. В основном эти результаты достигнуты благодаря незначительным изменениям конструкции, широкому применению турбонаддува и охлаждения воздуха на впуске.
Многие ученые и конструкторы в настоящее время ведут работы по созданию перспективного дизеля. Причем идея очень простая: максимальное использование энергии отработавших газов (т.е. компаундирование), приближение процесса к адиабатному (т.е. исключение теплообмена между газами и стенками цилиндров) и внедрение каталитических нейтрализаторов. Реализация последней в практике двигателестроения оказалось гораздо сложнее. Необходимо более глубокое изучение механизмов процесса горения и образования сажи и окислов азота. Рассмотрим причины образования вредных компонентов ОГ. Реакции сгорания углеводородов в камере сгорания являются весьма сложными. Известно, что реакции сгорания углеводородов относится к типу цепных реакций с разветвлениями, при которых важное значение имеют цепи, образуемые от основной цепи. Характер протекания реакции зависит от температуры и давления в камере сгорания, от способа образования рабочей смеси и способа ее воспламенения.
Несмотря на большое число проведенных исследовательских работ, до настоящего времени не удалось досконально изучить процесс протекания реакции окисления СО, имеющие особенно важное значение в процессе сгорания. Окись углерода не является единственным продуктом первичного окисления. Одновременно с СО образуется ацетилен. Процесс образования С2Н2, наблюдаемый также при многоступенчатом сгорании сильно обедненных смесей, создает условие для выделения свободного углерода, а затем появление дыма и частиц сажи.
При сгорании смеси с избытком топлива активные радикалы вызывают процесс полимеризации, ведущие к образованию групп углеводородов, которые под действием температуры разлагаются на, углерод в виде графита и водород. Ацетилен является последним продуктом, который образуется перед выделением углерода. Некоторые авторы считают, что единственной причиной дымления является механическое воздействие ударной волны, прерывающий слой топлива на стенках камеры сгорания и вызывающей его разложение. Образование углерода, выделяемого в виде сажи, происходит также при неравномерном распределении топлива в камере сгорания. В этом случае в определенных зонах камеры сгорания может образоваться смесь с недостатком кислорода, что приводит к расщеплению топлива и появлению свободного углерода. Важное значение для процесса образования СО и углерода имеет структура углеводородов, входящих в состав топлива. Склонность ароматических углеводородов к выделению сажи в 6,2… 15,7 раза больше, чем у олифиновых углеводородов. На количество углеводородов, выбрасываемых двигателем, оказывают существенное влияние факторы: влияющие на количество несгоревших углеводородов в камере сгорания и влияющие на количество углеводородов, выделяемых с отработавшими газами.