В четвертом разделе описывается проверка адекватности разработанной математической модели путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных, полученных при проведении стендовых исследований в лаборатории тепловых двигателей АИЭС Мусабековым Р.А. на дизельном двигателе. Объектом экспериментального исследования является транспортный двигатель Камского объединения большегрузных автомобилей КамАЗ-740. Общий вид экспериментальной установки приведен на рис. 2. Цифровое устройство для измерения момента вращения создано на базе аналогово-цифровой преобразовательной системы аdи-100, основным узлом которого является датчик с прибором для преобразования непрерывных величин в дискретные и управления.
Рисунок 2. Общий вид испытательного стенда. 1 - дизельный двигатель; 2 - испаритель; 3 - нагрузочное устройство
Устройство цифрового измерения числа оборотов состоит из импульсного датчика, счетчика и внешней индикации. Для определения содержания окиси углерода и также кислорода, азота, водорода и метана в отработавших газах применялся аналитический газовый хроматограф с цифровым заданием режима серии «ЦВЕТ-500» (Рис. 3). В качестве адсорбента применялись молекулярные сита (цеолиты) типа NaX, использовался детектор по теплопроводности (ДТП).
Рисунок 3. Приборы для определения токсичности, дымности отработавших газов двигателя 1 - дымомер "Хартридж"; 2 - газоанализатор "Бекман"; 3,4 - газо-анализаторы "Инфралит-1100 и 2200"; 5 - хроматограф "ЦВЕТ-500"
Определение концентрации окислов азота в отработавших газах производился посредством измерения суммы NО+NО2, обозначаемой NO2, хемилюминесцентным методом с помощью газоанализатора непрерывного действия «Бекман - 951». (Рис. 3, поз. 2). При анализе NОх проба до входа в реакционную камеру пропускается через конвектор, в котором NO2 переводится в NО. Показание прибора в этом случае пропорционально сумме первоначально присутствовавшего NО плюс NО, образовавшегося из NО2.
Оценку дымности отработавших газов производили по принципу оптического измерения их прозрачности. Принятые у нас ГОСТы устанавливают нормируемый параметр дымности - «оптическая плотность отработавших газов» и используют приборы, работающие по методу просвечивания.
В наших экспериментах измерения дымности ОГ производились с помощью дымомера фирмы «Хартридж» (Англия) модели HR150 (Рис. 3, поз. 1), работающего по методу просвечивания столба газа.
Для определения окисей углерода (СО и CО2) применялись газоанализаторы непрерывного действия «Инфралит - 2200», работающий по принципу инфракрасной абсорбции (Рис. 3, поз. 3 и 4).
Давление газов в цилиндре двигателя измерялось при помощи пьезокварцевого датчика типа IAE - 105 производства фирмы AVL (Австрия).
Рисунок 4. Характеристики дизеля
Для установления влияния количества гомогенизации топлива на показатели рабочего процесса двигателя и определения его доли были сняты характеристики двигателя при различных расходах испаренного топлива. При этом его количество изменялось от «О» до 20,5 кг/ч (q=0-57%) для двигателя КамАЗ-740. Снижение выбросов окислов азота и дымности при увеличении от» 0» до 20% связано с уменьшением задержки воспламенения и обусловлено уменьшением расхода топлива. Дальнейшее увеличение гомогенизации топлива приводит к еще более раннему воспламенению и, следовательно, сгоранию вблизи верхней мертвой точки и увеличению жесткости сгорания, что вызовет возрастание выбросов окислов азота. Дымность отработавших газов немного увеличится, т.к. при сильном снижении задержки воспламенения (ф<0,9 мс) ухудшается процесс смесеобразования.
На рис. 4 приведены полученные на стенде нагрузочные характеристики двигателя КамАЗ-740 (для n = 1800 об/мин). Когда температура отработавших газов становится больше 400°С, показатели двигателя увеличиваются. Это означает, что в испарителе происходит полное испарение. Дымность отработавших газов снижается в среднем на 15-20 единиц по Хартриджу (на 30%), а удельный расход топлива на 3-8 г./л.с. ч. Увеличение окислов азота связано перемещением воспламенения к верхней мертвой точке и ростом максимальной концентрации двуокиси углерода указывает на более полное сгорание топлива. Улучшение показателей и на малых нагрузках объясняется тем, что расход добавочного топлива низкий (14-15%) и оно испаряется полностью при температуре 300-350°С. В целом снижение дымности достигает 30%, мощность увеличивается на 5%, температура газов уменьшается на 25-35°С. Таким образом, экспериментально показано возможность улучшения экологических показателей дизеля за счет регулирования гомогенизации топлива.
Пятый раздел работы посвящен эколого-экономической оценке эффективности разработанных средств снижения вредных выбросов. Экологическая составляющая экономического эффекта от внедрения мероприятий по снижению эмиссии твердых частиц и оксидов азота включает в себя экономический и социальный аспекты. Первый аспект характеризуется снижением отрицательного воздействия на окружающую среду, улучшением ее состояния, уменьшением уровня загрязнения, увеличением количества и улучшением качества пригодных к использованию земельных, лесных и полевых ресурсов. Второй - повышением уровня жизни населения, улучшением физического развития населения и условий труда и отдыха, сокращением заболеваемости, увеличением продолжительности жизни и периода активной деятельности, сохранением природных и антропогенных ландшафтов, памятников природы. Экономический эффект от применения средств снижения токсичных веществ на автотранспортных дизелях определяется снижением отрицательного воздействия на окружающую среду (уменьшением уровня загрязнения) и улучшением ее состояния.
Оценить степень отрицательного воздействия дизельного двигателя на окружающую среду можно просчитав величину ущерба, причиняемого вредными выбросами ОГ дизеля: , где г = 2,4 тг/усл. т - размерный коэффициент;
у - показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха: значение у установлено равным 8 в загородных зонах и 0,1 пН в городах при плотности населения пН человек/га; f - коэффициент, учитывающий характер рассеяния примесей в атмосфере (в общем случае определяется многими факторами: высотой источника рассеивания, температурным градиентом, скоростью ветра, но для выбросов аэрозолей автотранспортными средствами его рекомендуется принимать равным 10);
М - приведенная масса выброса в атмосферу загрязнений от сжигания топлива, у.т/кг топлива. , где Ai - показатель относительной агрессивности загрязнения i-го компонента, (Асо=1; ANOx=41,1; Асдиз=200); п - количество загрязняющих веществ, учитываемых при расчете; - удельный выброс i-гo загрязнения, г/кг топлива. Таким образом, величина ущерба при сжигании 1 кг топлива рассчитывается по формуле:
(тг/авто. год),
где С = - для принятых значений, тг/усл. т; Mi = (Аi еi) 10-6-приведенный удельный выброс вредного компонента по данным i-гo источника, кг/т топлива (Среднее значение еi по СО составляет 16,6, а по NOх-30 и по твердым частицам 5,2 соответственно).
Показатели зависят от состояния экономики страны г, типа загрязняемой территории у, вида установки, использующей ДВС f и других факторов. Автомобильный дизель в обычных условиях выбрасывает сажи в среднем 0,3…0,5% на единицу израсходованного топлива. Для дизеля КамАЗ, работающего в тяжелых условиях, примем величину 0,45%, т.е. 4,5 кг/т.
Как показали результаты исследований, после установки на двигатель нейтрализатора выбросы вредных компонентов ОГ в среднем удалось снизить сажевые частицы - на 70…80%, NOx - на 50…60%, CO - 50…55%. на 80%, поэтому сумма экологического ущерба была уменьшена и составила: ЭСФ= 50500 тг. на один автомобиль в год.
Заключение
нейтрализатор азот экологический дизель
1. Дизелизация транспорта надежды на которую связывались в ХХI веке, столкнулись с проблемами снижения NOx и сажи. Результаты изучения механизмов образования сажи и оксидов азота в условиях, характерных для камер сгорания дизеля показали возможные пути снижения их в перспективных двигателях. Для самых жестких требований обязательным является установление каталитических нейтрализаторов.
2. Разработаны математические модели образования оксидов азота и сажи в дизеле с учетом разных механизмов для исследования перспективных рабочих процессов.
3. Аналитические исследования показали, что для создания перспективных дизелей необходима гомогенизация смесеобразования и сгорания при низких температурах, а также необходимо использование альтернативных топлив.
4. Проведены исследования по образованию и выгоранию сажи в цилиндре двигателя. Причем снижение образования NOx приводит к увеличению выхода сажи и наоборот. И только установление каталитического нейтрализатора приводит к значительному снижению обеих компонентов вредных выбросов дизеля.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали эффективность предлагаемых рекомендаций и методов. Для дизельных двигателей вредные выбросы могут быть уменьшены: по NOx - до 3,0 г/кВт ч и саже до 0,02 г./кВт ч, что удовлетворят требованиям международного стандарта Евро-5.
6. Разработана математическая модель, описывающая закономерности движения и тепломассообмена в нейтрализаторе, которая обеспечить выбор эффективного управления рабочим процессом.
7. Проведен вычислительный эксперимент, который позволил выявить все особенности технологического процесса в нейтрализаторе и оптимальные размеры конструкции.
8. Годовой экономический эффект от применения нейтрализатора для снижения вредных выбросов составит 50500 тенге на один дизель.
Оценка полноты решений поставленных задач. Поставленные задачи в диссертации полностью решены, цель работы направленная на улучшение экологических показателей дизельного двигателя достигнута. Использование результатов диссертационной работы для снижения вредных выбросов в дизельном двигателе научно обосновано и позволит снизить сажевые частицы - на 70…80%, NOx - на 50…60%, CO - 50…55%.
Рекомендации по использованию результатов исследований. Результаты работы можно использовать в автопредприятиях, где применяются дизельные двигатели. Отдельные разделы диссертации могут быть использованы в высших учебных заведениях при преподавании дисциплин: инженерная экология, энергетические установки транспортных средств, тепловые двигатели и др. Полученные в диссертационной работе результаты могут быть также рекомендованы для решения экологических вопросов в предприятиях, использующие дизельные двигатели.
Технико-экономическая оценка эффективности внедрения. Внедрение результатов исследования в автотранспортных предприятиях даст существенное снижение выбросов вредных веществ в атмосферу дизельными двигателями. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения результатов диссертаций по снижению токсичности дизеля составляет 50500 тенге на 1 двигатель.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Все экспериментальные исследования выполнены на современном научно-техническом уровне с использованием чувствительных приборов, а математические модели использованы впервые. Данная работа по своему научному уровню соответствует лучшим достижениям в данной области, содержит хорошую теоретическую основу, лабораторные и промышленные эксперименты.
По теме диссертации опубликованы следующие работы
1 Байпакбаев Т.С. Анализ факторов влияющих на токсичность расчетов выбросов оксидов азота. - Вестник КазНТУ им. К. Сатпаева, 2008, №5 (68), с. 71-74.
2 Байпакбаев Т.С. Разработка средств снижения токсичности и дымности дизелей. - Вестник КазНТУ им. К. Сатпаева, 2008, №4 (67), с. 9-12.
3 Байпакбаев Т.С. К вопросу расчета концентрации окиси азота в камере сгорания дизеля. - Промышленный транспорт Казахстана, 2008, №3 (18), с. 60-63.
4 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М. Токсичные компоненты в отработавших газах дизелей // Материалы 4-й МНПК «Транспорт Евразии ХХI», КазАТК им. Тынышбаева, Алматы, 2006 г., том 5, с. 210. - 212.
5 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М., Мусабеков Р.А. Экспериментальный стенд для исследования дизелей на токсичность и методика измерений. - Вестник ТарГу им. Х. Дулати, Тараз, 2007 г., №1, с. 207-211
6 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М. К вопросу использования рециркуляции отработавших газов в дизелях для снижения выбросов NO. - Вестник КазАТК им. М. Тынышпаева, Алматы, 2007 г., №4, с. 248-251.
7 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров.А.М., Мусабеков Р.А. Снижение токсичности дизелей за счет двухфазной подачи топлива. // Вестник ТарГУ им. Х. Дулати «Природопользование и проблемы антропосферы», Тараз, 2007, №1, с. 165-167.
8 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М. Экспериментальные результаты исследования дымности отработавших газов дизеля. // Труды университета, КарГТУ, Караганда, 2007, №3, с. 80-81.
9 Байпакбаев Т.С., Иргебаев Е.Т., Достияров А.М., Мусабеков Р.А. Экспериментальные результаты исследования экологических показателей дизеля при двухфазной подаче топлива. - Наука и образования Южного-Казахстана, Шымкент, №3 (62), 2007 г., с. 168-171.
10 Байпакбаев Т.С. Перспективные направления по созданию малотоксичных дизелей. - Вестник КазАТК, 2008, №3, с. 50-54.
11 Байпакбаев Т.С., Усеров А.М. Анализ механизмов образования токсичных компонентов в дизельном двигателе. // В материалах МНПК «VI Дулатовские чтения», Тараз, ТарГУ им. Дулати, 15-16 октября 2009, с. 17-21.