ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ
ДВС — двигатель внутреннего сгорания;
ОГ - отработавшие газы;
ТК - токсичные компоненты;
ССТВ - средства снижения токсичных веществ;
СФ - сажевый фильтр;
РСТ - разделенная система топливоподачи;
СРЦ — система рециркуляции;
ПРТ - присадка в топливо;
ТН - термический нейтрализатор;
КН - каталитический нейтрализатор;
ЖН - жидкостный нейтрализатор;
ХАС - химически активные соединения;
КС - камера сгорания;
МТА - машинно-тракторный агрегат;
ПАУ - полициклические ароматические углеводороды;
ММ - математическая модель;
УВ - управляющее воздействие;
ЗУ - закручивающее устройство;
РЗ - рециркуляционная зона.
ВВЕДЕНИЕ
Состояние атмосферного воздуха, от которого зависят климат и биосфера Земли, является определяющим фактором для жизни человека, существования животного и растительного мира, плодородия почвы. В современных условиях развития человеческого общества все большее внимание уделяется качественному улучшению ресурса атмосферного воздуха и его охране.
Значительное загрязнение атмосферы происходит при получении различных видов энергии. На сегодняшний день наиболее распространенными источниками механической энергии для транспортных средств являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). При эксплуатации ДВС в атмосферу с отработавшими газами (ОГ) выбрасывается ряд токсичных соединений, что ведет к значительным изменениям в биосфере. В большей степени этому подвержены места концентрации автотракторной техники из-за локального загрязнения атмосферы. Сейчас в мире насчитывается около 1,5 млрд единиц автотракторной техники и ее количество увеличивается на 50 млн единиц в год [1].
Токсичные вещества, содержащиеся в ОГ автотракторных двигателей, могут сохраняться в атмосфере в течение длительного времени и переноситься на значительные расстояния. Атмосферный воздух можно рассматривать как вторичный реактор дообразования вредных веществ, токсичность которых в некоторых случаях значительно превышает токсичность первичных компонентов. Например, при переходе оксида азота (II) в оксид азота (IV) в атмосферном воздухе масса вредного вещества возрастает в 1,5 раза, а токсическое действие - в 7 раз [2].
Большую роль в загрязнении атмосферного воздуха играют дизели, которые по-прежнему остаются наиболее эффективными в энергетическом смысле 1'лшовыми машинами. Так при сгорании 1 кг дизельного топлива
выделяется 80... 100 г токсичных компонентов (20...30 г оксида углерода (II), 20...40 г оксидов азота, 4... 10 г углеводородов, 10...30 г оксидов серы, 0,8... 1,0 г альдегидов, 3...5 г сажи и др.) [3]. Имея значительно меньшие, по сравнению с бензиновыми двигателями, выбросы СО и углеводородов, ОГ дизелей обладают достаточно высокой токсичностью из-за повышенного содержания оксидов азота, сажи и альдегидов. Эти выбросы попадают на растения и почву, снижают урожайность, ухудшают качество сельскохозяйственной продукции, оказываются в организмах животных и людей, в потребляемой ими пище.
Помимо отработавших газов одним из наиболее опасных параметрических загрязнений окружающей среды является транспортный шум. Вопросы борьбы с шумом в настоящее время приобретают социальное значение, так как человек находится в условиях постоянного дискомфорта на транспорте, производстве и быту. Транспортный шум имеет значительно больше негативных последствий для населения, чем производственный или бытовой шум, так как сфера его действия значительно шире, а физические параметры, характеризующие влияние шума на организм человека, несравнимо выше [4, 5].
В последнее время в связи с ростом парка дизельной автотракторной техники вводятся все более жесткие нормы на выбросы токсичных компонентов с ОГ. При этом необходимо отметить, что нормы по токсичности и дымности ОГ двигателей, принимаемые в Российской Федерации значительно отстают от аналогичных норм в США и Европейских странах. Так, Европа с 1 января 2005 года перешла на нормы «Euro-4», а в России введение норм «Euro-2» ожидается не раннее 1 января 2006 года (несмотря на то, что содержание токсичных соединений по нормам «Euro-2» и «Euro-4» различается в два и более раза).
Большинство автотракторных дизелей, выпускаемых серийно и эксплуатирующихся в настоящее время в РФ, могут соответствовать по ,-•
10
-¦ выбросам нормам «Euro-2» и выше только при реализации дополнительных мероприятий, направленных на снижение их токсичности и дымности.
Существуют различные средства снижения токсичности и дымности Ф ОГ автотракторных дизелей в эксплуатации, которые можно разделить на
две группы: «Средства воздействия на рабочий процесс двигателя» и «Средства очистки ОГ в выпускной системе». Как показывает мировая и отечественная практика, в настоящее время одними из наиболее перспективных и эффективных средств снижения токсичных веществ в ОГ дизелей являются системы рециркуляции и разделенной топливоподачи, антидымные присадки в топливо, сажевые фильтры и нейтрализаторы. Это подтверждают доклады крупнейших мировых производителей • автотракторной техники, посвященные совершенствованию и оптимизации
вышеперечисленных средств, на Международном конгрессе «Автомобили и двигатели - новейшие достижения» (Германия, г. Аахен, октябрь, 2004 г.) [6].
Основная проблема, поставленная в диссертации, - разработка комплекса мероприятий, обеспечивающих эффективное снижение вредных выбросов при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Проблемная ситуация на данном этапе заключается в том, что
*^ широкое использование в агропромышленном комплексе страны тракторов,
автомобилей и мобильной сельскохозяйственной техники, как правило, с
высокой производительностью, вынуждает применять в качестве силовых
установок высокофорсированные дизели, которые имеют повышенную
экологическую опасность в силу значительного количества газообразных
выбросов и высокой их токсичности, что в свою очередь ведет к
значительным изменениям естественных экологических систем. По оценке
# специалистов, суммарная масса выбросов всех дизелей, находящихся в
странах СНГ, составляет 14-18 млн тонн в год [7]. Вредные выбросы
11
чрезвычайно опасно действуют на здоровье людей и животных, приводят к снижению урожайности, продуктивности животноводства, разрушению строительных материалов, повышенным концентрациям вредных веществ в кабинах мобильной техники и помещениях цехов. Поэтому законодательная
_ власть вынуждена ужесточать требования нормативных актов по выбросам
токсичных веществ ДВС. В свою очередь применение средств очистки отработавших газов, как правило, приводит к снижению мощностных и экономических показателей дизеля. '
Все это обуславливает необходимость разработки, совершенствования и внедрения средств снижения токсичных веществ в ОГ дизелей (ССТВ), обладающих высокими показателями по очистке и ресурсу работы, а также минимальным воздействием на эксплуатационные
• показатели мобильной техники.
В настоящее время это является одной из важнейших задач при конструировании и эксплуатации автотракторных дизелей, как в Российской Федерации, так и за рубежом.
Актуальность работы подтверждается тем, что исследования проведены в соответствии с Федеральной программой № 04.01.06. на 2001-2005 гг., выполняемой совместно с Всероссийским научно-исследовательским и проектно технологическим институтом по #* использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ГНУ
ВИИТиН, г. Тамбов), научным направлением 1.2.9 «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжского экономического региона на 20 лет до 2010 г.» (№ гос. регистрации 840005200), региональной научно-технической программой «Повышение уровня механизации АПК Саратовской области», «Концепцией развития АПК Саратовской области до 2005 г.», а также в
ф соответствии с комплексной темой № 5 НИР Саратовского
государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова «Повышение
12
,-.. надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве».
Цель работы. Улучшение экологических показателей автотракторных дизелей воздействием на рабочий процесс двигателя и совершенствованием средств очистки отработавших газов, обеспечивающих эффективное снижение вредных выбросов при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
Объект исследований. Дизель 44 11/12,5 и его модификации (Д-240, Д-242, Д-243), оборудованный средствами снижения токсичных веществ в отработавших газах.
Предмет исследований. Газодинамические, гидравлические, тепловые и химические процессы, протекающие в средствах снижения токсичных веществ (ССТВ) при работе дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах.
Методика исследований основана на применении современных методов и измерительных приборов. Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений законов газовой динамики и тепломассообмена, теории многомерного статистического оценивания и математического моделирования. Индицирование дизеля проводилось измерительно-вычислительным комплексом с интерфейсом КАМАК. Для замера дымности использовали дымомер СМОГ-1, концентрации токсичных компонентов регистрировались газоанализатором TESTO-350, уровень шума измерялся шумомером ВШВ-003-М2. Моделирование процессов в дизеле и ССТВ, их оптимизация, а также обработка экспериментальных данных проводились с помощью современного программного обеспечения (пакеты прикладных программ MATLAB 6.5).
В работе теоретически обоснована и решена научная проблема повышения экологической безопасности автотракторных дизелей с разработкой на основе математического моделирования рабочих процессов
13
в двигателе средств снижения токсичных веществ, пригодных для практического использования, при исследовании и обобщении показателей и характеристик ССТВ, решении задач параметрической оптимизации средств очистки отработавших газов, обеспечивающих их эффективность на различных эксплуатационных режимах.
Научная новизна заключается в комплексном подходе к решению проблемы снижения вредных выбросов дизелей, в результате которого:
— разработана и обоснована методика моделирования тепловыделения в цилиндре дизеля с различными средствами снижения токсичных веществ;
— разработаны математические модели гидравлических, тепловых и химических процессов, протекающих в средствах снижения токсичных веществ при работе дизеля;
— установлены и теоретически исследованы закономерности распределения локальных скоростей потока отработавших газов в элементах конструкций ССТВ, на основании которых разработаны математические модели газодинамического сопротивления потока ОГ, а также динамики движения и улавливания твердых частиц сажи внутри устройств;
— теоретически обоснованы конструкции эффективных средств снижения токсичных веществ в отработавших газах дизелей;
— предложены и обоснованы критерии эффективности и оптимальности для параметрической оптимизации средств снижения токсичных веществ в отработавших газах дизеля;
— разработана методика определения годовой суммарной токсичности дизеля, оборудованного средствами снижения токсичных веществ, с учетом различных скоростных и нагрузочных режимов его работы в условиях эксплуатации.
Практическая ценность работы заключается в разработке эффективных средств снюкения токсичных веществ в отработавших газах
14
дизелей: разделенной системы топливоподачи, системы рециркуляции отработавших газов, антидымной присадки в топливо, термического нейтрализатора и сажевого фильтра, позволяющих снизить выбросы сажевых частиц - на 55...70%, NOX - на 60...70%, СО - на 40...45%, уровень шума - до 7%.
Конструкции разработанных средств снижения токсичных веществ защищены патентами РФ № 2119065, 2158845, 2183751, 2251016 и положительным решением о выдаче патента РФ № 2004107477/04(007788).
Результаты исследований могут быть использованы сельскохозяйственными и другими предприятиями АПК России, эксплуатирующими мобильную технику, научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке средств снижения токсичных веществ для любых типов дизелей, а также в учебном процессе вузов аграрного образования при изучении дисциплины «Тракторы и автомобили».
Реализация результатов исследований. Экспериментальные средства снижения токсичных веществ, установленные на тракторах МТЗ-80, МТЗ-82 и автомобилях ГАЗ-53А, ГАЗ-3307 (переоборудованные на дизель 44 11/12,5), прошли производственную проверку и приняты к внедрению в ряде хозяйств Саратовской области: ОАО «Аркадакский элеватор» Аркадакского района, ООО «Агро-МТС», ООО «Интеграл», ТОО «Ударник» Лысогорского района, АОКХ «Кольцовское» Калининского района, Учебно-фермерское хозяйство Поволжского межрегионального учебного центра (с. Долгий Буерак, Саратовского района).
Разработанные в диссертации средства снижения токсичных веществ рекомендованы Волгоградским тракторным заводом (ОАО «Тракторная компания «ВгТЗ») к внедрению на тракторных дизелях, а также Министерствам транспорта и дорожного развития Саратовской области -.на
15
дизельном.грузовом транспорте и автобусах в г. Саратове и районных центрах Саратовской области.
Опытный образец нейтрализатора отработавших газов дизеля отмечен дипломом Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (г. Москва, октябрь 2003 г., ВВЦ).
В работе определены и выносятся на защиту следующие научные положения:
1. Теоретические предпосылки решения проблемы повышения экологической безопасности автотракторных дизелей воздействием на рабочий процесс двигателя и применением эффективных средств очистки отработавших газов.
2. Методика моделирования тепловыделения в цилиндре дизеля с ССТВ и математические модели газодинамических, гидравлических, тепловых и химических процессов, протекающих в средствах снижения токсичных веществ при работе дизеля на различных скоростных и нагрузочных режимах.
3. Критерии эффективности и оптимальности для параметрической оптимизации средств снижения токсичных веществ в отработавших газах дизеля.
4. Методика определения годовой суммарной токсичности дизеля с ССТВ в условиях эксплуатации.
¦ 5. Результаты комплексных экспериментальных исследований дизелей, оборудованных средствами снижения токсичных веществ, и рекомендации по применению разработанных ССТВ в условиях эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (1996-2005 гг.), на межгосударственных научно-
16
технических семинарах «Проблемы -экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» (1996-2005 гг.), проводимых ИМЭСХ Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова, на Международной научно-технической конференции «Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств» (г. Саратов, СГТУ, 1995 г.), на 3-й Международной конференции «Экология. Экологическое образование. Нелинейное мышление» (г. Воронеж, ВГУ, 1997 г.), на Российской научно-практической конференции, посвященной 200-летию Саратовской губернии «Экология, здоровье и природопользование» (г. Саратов, Саратовская государственная сельскохозяйственная академия, 1997 г.), на Всероссийской конференции «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Саратов, СГУ, 1997 г.), на научно-технических конференциях СГТУ (г. Саратов, 1997-2002 гг.), на научной конференции, посвященной 275-летию Российской академии наук (г. Саратов, 1999 г.), на Международной научно-технической конференции «Сельскому хозяйству - техническое обеспечение XXI века» (г. Москва, ВИМ, 2000 г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию МГАУ им. В.П. Горячкина «Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики» (г. Москва, 2000 г.), на Международном конгрессе «Автомобили и двигатели -новейшие достижения» (Германия, г. Аахен, 2000 г., 2004 г.), на научно-технических конференциях «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (г. Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2002-2003 гг.), на научно-техническом совете Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (г. Тамбов, ВИИТиН, 2003 г.), на международной научно-практической конференции «Ульяновские чтения» (г. Саратов, СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2005 г.).
17
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 55 работах, в том числе в монографии и 4 патентах. Из указанных работ 7 опубликованы в изданиях, поименованных в «Перечне...» ВАК Минобразования и науки РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 24,5 печ. л., из них лично автору с учетом долевого участия в коллективных публикациях принадлежит 14,7 печ. л.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 354 страницах, состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений, содержит 17 таблиц и 109 рисунков. Список литературы включает в себя 262 наименования, из них 18 на иностранных языках. |
