close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Метод снижения содержания дисперсных частиц в отработавших газах дизеля

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ШЕВЧЕНКО ДЕНИС ВЛАДИМИРОВИЧ
МЕТОД СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ
В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ
Специальность: 05.04.02 - тепловые двигатели
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2014
2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов» на кафедре «Эксплуатации автотранспортных средств»
Научный руководитель:
Фомин Валерий Михайлович,
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет
(МАМИ)»
Официальные оппоненты:
Сайкин Андрей Михайлович,
доктор технических наук, старший научный сотрудник начальник управления специальных программ Государственного научного центра РФ
ФГУП «НАМИ»
Макунин Алексей Владимирович,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Научно-исследовательского института
ядерной физики МГУ
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный
университет имени Александра Григорьевича и
Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ)
Защита состоится «12» февраля 2015 года, в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 212.140.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный
машиностроительный университет (МАМИ) /Университет машиностроения/» по
адресу: 107023, Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38, ауд. Б-304.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет
(МАМИ) /Университет машиностроения/» и на сайте www.mami.ru.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 107023, Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38, Университет машиностроения, ученому секретарю диссертационного
совета Д 212.140.01.
Автореферат разослан 10 декабря 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
/Юрий Сергеевич Щетинин/
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Существенный вклад в загрязнение атмосферы промышленно развитых мегаполисов вносят мобильные средства с дизелями. К
наиболее вредным компонентам дизельного выхлопа относятся дисперсные частицы (ДЧ), особенно частицы углеродной фракции, высокая потенциальная
опасность которых обусловлена тем, что они являются активными адсорбентами
мутагенов и канцерогенов. Известные в мировой практике средства очистки ОГ от
ДЧ до сих пор широко не применяются на отечественных дизелях, а их применение зачастую связано с повышением расхода топлива. Поэтому к наиболее перспективным направлениям повсеместно относят поиск новых, эффективных решений по совершенствованию экологических качеств рабочего процесса. Одним
из таких альтернативных решений является использование средств химической
активации, которые уже относительно давно применяются в дизелях (например,
антидымные присадки к топливу). Водород занимает определенное место среди
всех этих средств. Его высокая эффективность среди химических реагентов заключается в снижение эмиссии дисперсного углерода подтверждена данными
многочисленных экспериментов. Установлено также, что подобная способность
водорода проявляется и в уменьшении выброса с ОГ другого компонента ДЧ –
органической фракции. Если учесть то, что преобладающая доля в составе фракций ДЧ приходится на органическую и углеродную фракцию (до 94%), то можно
предположить о возможности наиболее массового снижения фона ДЧ в системе
горения дизельного топлива с участием подобного реагента. Другие, менее значительные по объему фракции в спектре ДЧ – фракции примесей (5%) и сульфатов
(1%) привносятся «внешними» факторами и не зависят от свойств этой системы.
Отсутствие инфраструктуры производства водорода и системы его распределения, также низкий уровень безопасности эксплуатации и высокая стоимость является одной из проблем его использования в качестве химического реагента. В
данной работе был использован безопасный и экономически оправданный способ,
предусматривающий хранение (аккумулирование) такого средства, как водород,
4
на борту мобильного устройства в виде метанола – в химически связанном состоянии жидкого соединения.
С учетом тенденции к периодическому ужесточению норм по ограничению
эмиссии ДЧ с ОГ дизелей, в работе осуществлена разработка альтернативного метода организации рабочего процесса двигателя, усовершенствованного по данному экологическому показателю, что и обуславливает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Цель исследования: разработка метода снижения содержания дисперсных
частиц в продуктах сгорания дизеля с использованием водородосодержащих
средств химической активации.
Исходя из поставленной цели, определены следующие задачи исследования:
1. Формулирование и методическое обоснование метода снижения эмиссии дисперсных частиц с ОГ дизеля с использованием водородосодержащих продуктов конверсии метанола в качестве средств химической активации.
2. Исследовать характер изменения термодинамических условий в рабочем цикле
двигателя, оказывающих определяющее влияние на кинетику процесса образования и выгорания частиц и на этой основе обосновать структурную схема и
последовательность проведения исследования.
3. В рамках этой последовательности провести расчетно-аналитическое исследование процессов образования и выгорания углеродной фракции ДЧ для системы горения углеводородного топлива с учетом предварительно установленных
реакционных свойств водородосодержащего реагента с использованием разработанного для этой цели математического метода исследования.
4. По результатам исследования методически обосновать стратегию формирования комплекса функциональных и технических средств для практической реализации предложенного метода, адаптированного к условиям работы дизеля
транспортного средства категории «Т» по регламенту Правил №96 ЕЭК ООН.
5. Провести серию экспериментальных исследований на дизеле для опытной
апробации результатов расчетно-теоретического прогнозирования и эффективности предложенного метода в целом.
5
6. На основе обобщения результаты проведенных исследований разработать ре-
комендации по разработке новых и модификации существующих способов организации рабочего процесса дизелей с низким уровнем эмиссии с ОГ дисперсных частиц.
Методы исследования. Исследования проводились на основе совокупного
сочетания расчетно-теоретических и экспериментальных работ.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена использованием современных, апробированных методов математического моделирования рабочих процессов, основанных на фундаментальных законах термодинамики и сгорания, общеизвестных положениях теории двигателей внутреннего сгорания, а также удовлетворительным согласованием данных расчетно-теоретического анализа и натурного эксперимента.
Научную новизну результатов исследования составляют:
- методология исследования особенностей образования и выгорания дизельных
частиц в системе горения (окисления) углеводородного топлива в присутствие
водородосодержащих средств химической активации;
- результаты исследования кинетического механизма реакционного воздействия
водородосодержащего реагента на термохимические акты, определяющие результирующее содержание частиц в продуктах сгорания дизеля;
- метод расчета результирующего образования частиц в дизеле, учитывающий характер реакционных свойств химического реагента;
- методически обоснованный метод снижения содержания частиц в продуктах
сгорания дизеля на основе применения водородосодержащего химического реагента (продуктов конверсии метанола).
Практическая ценность результатов исследования:
• использование разработанной методики расчета результирующей эмиссии частиц с ОГ дизелей, работающих с использованием водородосодержащих средств
химической активации, позволяет сократить затраты времени и ресурсов на проведение аналогичных экспериментальных исследований;
6
• предложенные рекомендации могут быть использованы для совершенствования
процессов сгорания и снижения эмиссии частиц с ОГ дизелей на основе применения водородосодержащего химического реагента;
• разработанный комплекс функциональных и технических средств для реализации предложенного метода может быть применен для совершенствования рабочего процесса существующих и перспективных дизелей.
Объект исследования - энергетическая установка, содержащая в своем составе дизель 4Ч 10,5/12, термокаталитический преобразователь спиртового продукта в водородосодержащий газ, который используется в качестве химического
реагента, и подсистему ввода дозированных порций реагента в систему питания
дизеля.
Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные данные проведенного исследования переданы в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», которые используются при выполнении программы фундаментальных и поисковых исследований
научного центра по водородной энергетике. Материалы диссертации и ее результаты используются в учебных процессах кафедр «Эксплуатация автотранспортных
средств» РУДН и «Автомобильные и тракторные двигатели» МАМИ при подготовке
бакалавров, магистров и аспирантов.
Апробация работы. По результатам диссертации сделаны доклады: на научно-технической конференции «3-и Луканинские чтения, решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» в МАДИ (ГТУ) в 2009 году; на
XLVII научно – технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов инженерного факультета, 2011г.; на Международном научном симпозиуме
«Автотракторостроение в МГТУ «МАМИ» в 2011 году, на 77-ой Международной
конференции ААИ «Автомобиле – и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», Москва, МГТУ «МАМИ», на XLVIII научно – технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов инженерного факультета РУДН ,2012 г.; на Международной научно-практической конференции
«Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы», Тамбов, 2012.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных
7
работах, из которых 6 в издательствах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 119 страницах и содержит: введение, четыре главы основного содержания, проиллюстрированного
14 таблицами и 24 рисунками, общие выводы и список использованной литературы из 93 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, сформулирована его цель и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе на основе анализа отечественного и зарубежного опыта приведено обоснование направления исследования. Основное внимание при анализе
уделено проблеме использования активирующих средств для улучшения экологических показателей поршневых двигателей. Исследовательские работы, отражающие развитие методов и средств физико-химического воздействия на процессы
рабочего цикла двигателя, осуществлены такими учеными, как А.Н.Войнов,
А.Н.Гоц, С.Н.Девянин, В.А.Звонов, А.М.Сайкин, Н.А.Иващенко, В.И.Ерохов,
Р.З.Кавтарадзе,
А.Р.Кульчицкий,
В.А.Марков,
В.З.Махов,
И.О.Лернер,
Н.Н.Патрахальцев, Е.Г.Пономарев, М.Г.Шатров, И.В. Парсаданов и другие.
Большой вклад в развитие тематики по использованию в ДВС водорода и водородосодержащих продуктов в качестве активирующих средств внесли российские
ученые: В.А.Вагнер, Ю.В.Галышев, С.В.Гусаков, В.Ф.Каменев, А.В.Макунин,
Д.Д.Матиевский, В.М.Фомин, Н.А.Хрипач и другие.
Анализ и обобщение результатов исследований, выполненных по рассматриваемой проблеме, позволили сделать следующее заключение.
1. Неуклонно продолжается рост парка транспортно-технологических средств на
базе колесных тракторов и соответственно рост валовых выбросов вредных
веществ.
При этом
при выбросах токсичных веществ дизелями большой
ущерб окружающей среде наносится дисперсными частицами (носители мутагенов и канцерогенов), которые определяют доминирующую вредность дизельного выхлопа.
8
2. При введении в РФ европейского стандарта (Правил ЕЭК ООН №96) в качестве ГОСТ Р41.96-2005 были предъявлены повышенные требования к экологическому уровню тракторных дизелей из-за принятия норм на удельный выброс
частиц. С учетом нерентабельности применения сложных систем комбинированной очистки ОГ дизелей, целесообразно осуществление поиска решения
проблемы на основе последующего развития исследований по совершенствованию экологических качеств рабочего процесса.
3. Известно, что одним из эффективных средств снижения содержания частиц в
ОГ дизелей являются реакционно-активные химические соединения (реагенты), особое место среди которых отводится именно водороду.
4. При всех преимуществах, которые имеет этот реагент в настоящее время, его
широкое применение на транспорте сдерживается рядом не решенных проблем: отсутствием инфраструктуры производства, распределением в необходимых количествах для мобильных средств, высокая стоимость водорода, невысокий уровень безопасности при аварийных ситуациях.
5. Реализация на мобильных средствах автономного (бортового) процесса получения водородосодержащего реагента из жидких сырьевых источников обеспечивает наибольшую рентабельность и эксплуатационную безопасность по
сравнению с другими известными методами хранения и транспортирования
этого газа.
6. Вопросы по выявлению характера и эффективности в воздействиях водородосодержащего химического реагента на кинетические механизмы формирования
и выгорания частиц в дизеле и разработки на этой основе метода по снижению
их эмиссии с ОГ до настоящего времени по-прежнему остаются актуальными
для дальнейшего изучения.
Согласно проведенному анализу современного состояния изученности проблемы по исследуемой теме и приведенного выше заключения были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе с учетом тематической направленности диссертационного
исследования сформулирована концепция метода снижения эмиссии частиц с ОГ
9
дизеля с помощью средств химической активации - продуктов конверсии метанола, в составе которых водороду как реагенту отводится определяющая роль. С
учетом избирательной функциональной способности водорода в системе горения
углеводородного топлива обосновано корректное определение понятия «водородный химический реагент», согласно которому присадка водорода не рассматривается как энергетически значимая добавка к базовому топливу, которая могла бы
привести к повышению исходных уровней температуры и давления в рабочем
цикле дизеля. Незначительная по массе присадка к рабочему телу водорода в качестве химического реагента, оптимизированная по условию предельно возможного снижения эмиссии дизельных частиц, рассматривается как источник активных центров зарождения реакций, и проявляется главным образом в кинетическом механизме образования и выгорания этих частиц.
С учетом компонентного содержания водорода в продуктах конверсии метанола разработан алгоритм управления расходом этих продуктов в системе питания дизеля по условию предельного снижения эмиссии частиц. В рамках реализации метода выявлена общая структурная схема энергетической установки, включающая дизель, бортовой термохимический реактор конверсии метанола, работающий на основе утилизации тепловой энергии ОГ, и подсистему ввода дозированной порции реагента в систему питания двигателя.
Проведен анализ влияния водородосодержащего реагента на кинетику сгорания (окисления) топливно-воздушных смесей. Реагент как источник генерирования активных центров в реакциях окисления обуславливает значительно больший
объем догорающей смеси в локальных зонах массового образования частиц и
пристеночных зонах гашения пламени, полнота сгорания топлива повышается, а
эмиссия несгоревших углеводородов и частиц уменьшается.
С использованием известных положений химического катализа обоснованы
(в рамках рабочей гипотезы) кинетические механизмы образования и выгорания
частиц (на примере дисперсного углерода) в присутствие водородосодержащего
реагента. Начальная стадия пиролиза углеводородов топлива сопровождается разложением молекулы ацетилена, являющегося донором зародышей углеродных ча-
10
стиц. Влияние водорода на данной стадии проявляется в снижение интенсивности
поверхностного роста частицы (т.н. эффект «водородного торможения» по
А.Лангмюру). Это проявление обусловлено активированной адсорбцией частицей
молекул водорода, препятствующей её контакту с окружающей средой реагирования. При этом массовая доля углеродных частиц снижается за счет уменьшения
результирующей скорости поверхностного роста частиц в соответствие с выражением:
æ
в × РН 2
w Н 2 = 2 × 10 4 ç1 - к
ç
1 + в × РН 2
è
ö
÷ × РС Н × S × expæç - 28000 ö÷ ,[м2/с]
2 2
÷
è RT ø
ø
(1)
где:
к и в – постоянные коэффициенты А.Лангмюра (0,7 и 25 соответственно);
РН2 и РС2Н2 – парциальные давления водорода и ацетилена;
S – суммарная поверхность частиц;
R и Т – газовая постоянная и температура среды реагирования.
В последующей высокотемпературной стадии водород, переходя в атомарное
состояние, обнаруживает способность по схеме цепочного механизма генерировать активные центры, в присутствие которых реакция окисления частиц реализуется как каталитическая. Константы скоростей нормальной (к) и каталитической
(кк) реакций отличаются величинами энергии активации Е и Ек и предэкспоненциальными множителями А и Ак в уравнении Аррениуса. Отношение между константами скоростей окисления углеродной частицы каталитической и нормальной
реакций имеет вид:
k к Ак
æ E - Ек ö
=
× expç ÷
k
А
RT ø
è
(2)
Таким образом, реакционная эффективность водородного реагента при гетерогенном катализе частицы может быть оценена величиной ΔЕ=Е - Ек, характеризующей снижение энергии активации процесса в зависимости от свойств реагента, в первую очередь, от его способности генерировать активные центры зарождения окислительных реакций. Отметим, что только проявлением каталитического
механизма можно объяснить экспериментально регистрируемую уникальную
11
способность небольших доз водородного реагента столь эффективно инициировать акты выгорания углеродных частиц.
Для успешного решения целевых задач диссертационного исследования
необходимо установить наиболее приемлемую структуру системного (методологического) подхода к ходу проведения исследования. С этой целью с использованием известных в исследовательской практике зависимостей H.Hiroyasu проведен
предварительный теоретический анализ по выявлению основных факторов, оказывающих наибольшее влияние на кинетические параметры процессов образования и выгорания углеродных частиц. Установлено, что математическое описание
этих процессов изначально предполагает необходимость корректного учета текущей температуры среды реагирования, компонентного состава среды, меняющегося по мере окисления (сгорания) смеси, а также изменение давления в течение
всего периода протекания процессов. Понятно, что учет всех перечисленных факторов, меняющихся по времени, возможен при условии описания с необходимой
степенью детализации динамики и характера изменения в рабочем цикле дизеля
термодинамических условий, что наиболее оперативно и с необходимой степенью
корректности можно осуществить с применением современных методов математического моделирования.
Обобщение результатов анализа позволило установить структурные составляющие и последовательность проведения исследования, что послужило методической основой для разработки метод математического исследования. Отличительной особенностью этого метода является то, что он, построенный на базе метода моделирования рабочего процесса, дополнен моделью процессов выделения
углеродных частиц, которая учитывает характерные свойства реакционного воздействия водородосодержащего реагента на кинетику образования и выгорания
частиц. При разработке этой модели был использован феноменологический подход, предложенный в ряде работ отечественных и зарубежных исследователей
применительно к дизелям, работающим без применения активирующих средств.
Структурная схема феноменологической модели представлена на рис.1.
12
Рис.1. Структурная схема модели образования и выгорания частиц углеродной фракции.
В модели принято, что топливо имеет химическую формулу С14H30; веществом, способствующим росту частиц, является ацетилен С2H2. Протекание процессов образования и выгорания сажевых частиц представлено системой уравнений химической кинетики (подробно рассмотренных в тексте диссертации), анализ и обобщение которых позволил записать систему дифференциальных уравнений, описывающих изменение массовых концентраций компонентов и частиц в
цилиндре дизеля:
dmd
7 md
=
R1 - R3 - R5 - R7 ;
dt
25 mт
dmа
m
= 7 а R2 - R4 - R8 ;
dt
mт
dm S
2m S
1
R4 + R5 - (R9 + m S R10 ) ;
= R3 +
dt
mа
r
dN rN A
=
R3 - R6 ,
md
dt
где md, mа, mS – массовая доля источников зарождения частиц (доноров), ацетилена и сажевых частиц, соответственно;
md, mт, mа, mS – молекулярная масса источников зарождения сажи, топлива, ацетилена и углерода, соответственно, кг/кмоль;
r - плотность заряда в цилиндре, кг/м3;
N – количественная концентрация сажевых частиц, кмоль-1;
13
NA – число Авогадро, равно 6,02209·1026 кмоль-1;
зависимости для расчета скоростей реакций R1… R10 , а также значения констант
этих скоростей и энергии активации приведены в тексте диссертации.
С учетом установленных выше свойств водородного реагента, влияющих на
акты текущего образования частиц, в процедуру рабочей (расчетной) программы
пошагового интегрирования для рассматриваемой стадии рабочего цикла дизеля
вносилась корректировка скорости роста сажевых частиц с использованием соответствующего корректирующего модуля, содержащего зависимость (1). Акты текущего выгорания частиц корректировались с учетом зависимости (2). Последовательность проведения расчетного исследования представлена на рис.2.
Рис.2. Структурная схема метода математического исследования.
Тестовая проверка достоверности предложенного метода расчета проводилась для режимов работы дизеля 4Ч 10,5/12 согласно Правил ЕЭК ООН R96 . В
ходе процедур идентификации и тестирования метода определение содержания в
ОГ углеродной фракции ДЧ проводилось косвенным способом - путем пересчета
по замеренной дымности ОГ с использованием зависимости (3). Установлено, что
расхождение результатов расчета с экспериментом не превышает 11%. Учитывая
сложность процесса образования частиц и используемую косвенную оценку их
14
выхода с ОГ, такое расхождение результатов расчета с экспериментом можно
считать приемлемым.
В ходе тестирования проверены прогнозируемые анализом индивидуальные
особенности реакционного воздействия водородосодержащего реагента на процессы образования и выгорания частиц (рис.3).
Рис. 3. Динамика результирующего содержания частиц (Сс) в цилиндре дизеля при его работе с
использованием химического реагента (2) и без него (1). (Ре = 0,5 МПа, n = 1500 мин -1).
Установлено, что определяющим свойством этого реагента является его способность более активно инициировать процесс окисления частиц в высокотемпературной стадии рабочего цикла дизеля (правая ветвь кривой 2). В то время, как
на начальной стадии цикла реакционное влияние реагента, как ингибирующего
средства (реализуемого на основе принципа «водородного торможения») на кинетику образования частиц оказалось менее значительным (левая ветвь кривой 2).
При этом суммарный реакционный эффект по снижению содержания частиц к
концу цикла соответствует 47%.
В третьей главе обосновывается цель и задачи экспериментальных исследований, излагаются методики проведения исследований, а также дается оценка
точности проведенных измерений и погрешностей опытов.
Испытания исследуемого дизеля 4Ч 10,5/12 проводились на динамометрическом стенде, оснащенным реактором конверсии метанола, функциональные параметры которого (температурные, энергетические, расходные и др.) были адаптированы к условиям работы дизеля.
15
В системе питания дизеля предусмотрена дополнительная ветвь (подсистема)
для ввода в КС и дозирования химически активирующих средств – продуктов
конверсии метанола (рис.4).
Рис. 4 Схема подсистемы питания дизеля продуктами конверсии метанола:
1 - бак для метанола; 2 - фильтр; 3 - насос; 4 - регулировочный клапан; 5 – термокаталитический реактор
конверсии метанола; 6 - газовый клапан; 7 - смеситель; 8 - датчик блока измерения расхода дизельного
топлива; 9 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 10 - датчик температуры ОГ.
Для измерения дымности и компонентного состава ОГ стенд оборудован газоаналитической аппаратурой, входящей в состав стандартного измерительного
комплекса VISA-4000 (Италия).
Экспериментальное определение выбросов ДЧ с ОГ дизелей представляет
собой достаточно сложный, трудоемкий и дорогостоящий процесс. Поэтому в зарубежной и отечественной исследовательской практике находят повсеместное
применение научно обоснованные методики косвенной оценке выбросов частиц
по регистрируемой дымности ОГ. Возможность подобной оценки имеет вполне
очевидное обоснование, так как термин «дымность», согласно определению, данному в Правилах ЕЭК ООН, обозначает наличие в ОГ взвешенных частиц, способных поглощать, отражать и преломлять световые лучи, определяющих тем самым оптическую активность дизельного выхлопа.
Данными опытной апробации было установлено, что реакционная способность водородосодержащего реагента с равной степенью эффективности проявляется и в процессах выгорания частиц органической фракции, являющейся второй
по значимости во фракционном составе ДЧ дизельного выхлопа. Поэтому в
16
нашем случае содержания в ОГ углеродной и органической фракций ДЧ (СДЧ)
оценивалось путем совокупного пересчета замеренных дымности и концентрации
несгоревших
углеводородов
в
ОГ
по
зависимости,
предложенной
И.В.Парсадановым для тракторных дизелей:
2
СДЧ = 0,0023× Д + 0,00005× Д 2 + 0,145 × eCH + 0,33 × eCH
, г/м3
(3)
где Д – дымность, %, eCH – концентрация несгоревших углеводородов, г/м3.
Предпочтительность (по сравнению с известными другими) такого варианта
пересчета обусловлена тем, что две фракции (углеродная и органическая) определяют доминирующую долю (для нагрузочных режимов свыше 90%) во фракционном составе ДЧ.
Испытания дизеля проводились по методике, регламентируемой требованиями 8-режимного испытательного цикла для дизелей транспортных средств категории «Т» согласно ГОСТ Р 41.96-2005 (аналог европейских Правил ЕЭК ООН
R96). Средне интегральные за испытательный цикл массовый выброс частиц gДЧ
(8)
и показатель удельного эффективного расхода топлива g å
находились по зави-
симостям:
8
8
g ДЧ =
å G ik i
1
8
å N еi k i
1
,
g
(8)
е
=
åG
i=1
8
Ti
åN
i=1
ei
× ki
× ki
, г/(кВт·ч)
где i – режим испытаний; Gi – массовые выбросы ДЧ для i-го режима испытательного цикла в единицу времени, г/ч; ki – коэффициент значимости для i-го режима;
Nei – мощность дизеля на i-м режиме испытательного цикла; GТi, - часовой расход
топлива, г/ч.
Четвертая глава посвящена анализу результатов исследования.
На предварительном этапе исследования проведена экспериментальная проверка ранее установленного анализом алгоритма управления расходом водородосодержащего реагента в системе питания двигателя 4Ч10,5/12 по условию предельно возможного снижения эмиссии частиц. Исследована потенциальная возможность реактора по его способности генерировать этот реагент в соответствие с
17
установленным алгоритмом. Логика опытной апробации эффективности предложенного метода строилась с учетом регламентных требований Правил ЕЭК ООН
R96. Результаты пересчета концентрации частиц в ОГ по замеренным дымности и
эмиссии СН представлены на рис.5.
Рис.5. Влияние водородосодержащего реагента на содержание в ОГ частиц на различных
режимах испытательного цикла R 96.
По полученным данным производился расчет средне интегрального выброса
ДЧ gДЧ за испытательный цикл. При работе дизеля в штатном варианте gДЧ = 0,69
г/(кВт·ч), а при использование водородосодержащего реагента gДЧ снижался на
49% и оказались равными 0,34 г/(кВт·ч), что соответствует нормативным требованиям Правил ЕЭК ООН R 96 (рис.6). Применение реагента способствует также
снижению расхода топлива за испытательный цикл до 6 г/кВт.ч, что подтверждает известное положение (Д.Д.Матиевский) о влиянии процесса образования ча-
Выбросы частиц, г/кВТхч
стиц на тепловые потери и эффективность рабочего цикла двигателя.
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Исходный вариант
Н2 реагент
Правила R96
18
Рис.6. Средне интегральный выброс дисперсных частиц с ОГ дизеля 4Ч 10,5/12 при его работе
с водородосодержащим реагентом и без него по регламенту испытательного цикла Правил R 96
ЕЭК ООН.
Результатами опытной апробации была подтверждена правомерность сформулированного ранее положения о реакционной способности водородосодержащих продуктов конверсии метанола как химического реагента в реакциях окисления органической фракции ДЧ. Выброс с ОГ частиц этой фракции за испытательный цикл при работе дизеля с использованием водородосодержащего реагента
Выбросы частиц СН,
г/кВт.ч
снижался на 45% по отношению к исходному варианту (рис.7).
0,15
0,12
0,09
0,06
0,03
0
Исходный
вариант
Н2-реагент
Рис.7. Средне интегральный выброс органической фракции (СН) дисперсных частиц дизелем
4Ч10,5/12 при его работе с водородосодержащим реагентом и без него по регламенту испытательного цикла Правил R 96 ЕЭК ООН.
Такой показатель снижения указывает на то, что свойства реакции реагента,
содержащего водород практически в одинаковой мере проявляются в процессах
дожигания, как углеродной фракции ДЧ, так и органической, что указывает на
схожесть механизмов и эффективность этого проявления.
Заключение по результатам работы. По результатам проведенного исследования можно заключить, что наряду с другими направлениями по совершенствованию показателей работы дизелей, предложенный в данной диссертации метод можно отнести к одному из направлений в области поисковых исследований
по созданию малотоксичного транспортного дизеля. Предложенный метод следует рассматривать как один из альтернативных способов решения ряда проблемных вопросов в контексте социально важной проблемы экологической безопасности на транспорте. Метод может быть направлен на разработку новых типов ра-
19
бочего процесса дизелей, а также модификацию уже существующих. Его применение может быть успешно совмещено с рядом других известных мероприятий,
дополняя и усиливая при этом их совокупную эффективность.
Одним из стимулов дальнейшего развития «водородной» стратегии в сфере
транспортной энергетики является и то, что методологически схожие версии получают свое развитие в России и за рубежом. Несмотря на некоторые различия в
подходе к выбору средств как носителей водородного реагента, экологическая
эффективность от их реализации высока, вне зависимости от того, с помощью каких технологических приемов этот реагент получен.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Проведенный анализ и обобщение результатов выполненных исследований,
позволяют заключить, что предложенный в данной диссертации метод, основанный на применении водородосодержащих продуктов в качестве средств химической активации для уменьшения результирующего выброса дисперсных частиц с
ОГ, можно отнести к одному из альтернативных вариантов совершенствования
экологических качеств дизелей по данному показателю.
Итогом выполненной работы можно считать решение целого ряда актуальных задач, которые связаны с особой по степени важности проблемой российского двигателестроения – разработки научных и технических основ создания малотоксичных рабочих процессов для транспортных дизелей.
На основе проведенных в работе исследований получены такие научные и
практические результаты:
1.Обобщение и систематизация результатов аналитических исследований позволили осуществить научно-методическое обоснование метода снижения
суммарной эмиссии частиц с ОГ дизеля с использованием средств химического воздействия (реагентов) на процессы, лежащие в основе образования углеродной и органической фракций дисперсных частиц.
2.Методически обоснована стратегия формирования структуры комплекса
функциональных и технических средств для эффективной реализации метода,
20
адаптированного к условиям работы дизеля транспортного средства категории
«Т». Были предложены в качестве химреагента продукты конверсии метанола,
содержащие водород генерируемые в бортовом реакторе.
3.Предложена методика, которая позволяет обосновать оптимальное соотношение дозы химического реагента, вводимого в среду рабочего тела дизеля, по
условию предельно возможного снижения эмиссии частиц. Такому условию
отвечает доза водорода, содержащегося в продуктах конверсии метанола, как
химреагента 1,6 – 1,8% (по энергетическому эквиваленту) от химической
энергии используемого топлива (~ 0,7% по массовому показателю). С учетом
этого показателя разработаны алгоритм и подсистема оптимального управления расходом водородосодержащих продуктов конверсии метанола в системе
питания дизеля.
4.По результатам анализа и опытной апробации выявлена реакционная способность водородосодержащего реагента в воздействиях на кинетику окисления
как органической, так и углеродной фракций дисперсных частиц. Установленное снижение средне интегральных за испытательный цикл выброс органической фракции дисперсных частиц на 45%, а углеродной фракции на 49%
указывает на схожесть и в равной степени эффективность реакционного влияния реагента на механизм окисления частиц обеих фракций.
5.Аналитически обоснована и сформулирована методологическая последовательность проведения исследования. Выявлены основные факторы в методологической структуре исследования, определяющие его адекватность. В русле
установленной методологии разработан метод математического исследования
результирующего образования частиц для системы горения углеводородов в
присутствии средств химической активации. Отличительной особенностью
этого метода является то, что он, построенный на базе известных методов моделирования, дополнен предложенной в работе моделью, учитывающей характерные свойства реакционного воздействия водородосодержащего реагента на кинетику образования и выгорания частиц. Результаты практической
21
апробации подтвердили удовлетворительную достоверность метода: расхождение результатов расчета с экспериментом не превысило 11%.
6.Проведена опытная апробация эффективности предложенного комплекса
функциональных и технических средств, реализующего предложенный метод,
в рамках регламента испытательного цикла дизелей транспортных средств категории «Т» Правил ЕЭК ООН R96. Установлено, что по сравнению с исходным вариантом (работа на ДТ) при применении данного метода средне интегральный за цикл удельный массовый выброс частиц с ОГ исследуемого дизеля 4Ч10,5/12 уменьшился на 47%, а расход топлива до 3%.
7.На основе обобщения и систематизации результатов проведенных исследований разработаны рекомендации по перспективному развитию концепции
предложенного метода в сфере транспортной энергетике.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Шевченко Д.В. Роль водорода как химического реагента в кинетическом механизме образования сажи в дизеле/ В.М. Фомин, Р.Х. Абу-Ниджим, Д.В. Шевченко, Р.Р. Хакимов//Вестник РУДН.- №3.- 2011.- С. 91-100.
2. Шевченко Д.В. Биоэнергетика транспорта /Д.В. Шевченко, Х.И. Абдельсатер //
Вестник РУДН.- №4.-2011.-С.52-60.
3. Шевченко Д.В. Водород как химический реагент в кинетическом механизме
углеродообразования в дизеле/ В.М. Фомин, Д.В. Шевченко, Р.Р. Хакимов
//Транспорт на альтернативном топливе №3(21).- 2011.-С.10-14.
4. Шевченко Д.В. Повышение Эффективности использования энергии альтернативного топлива/В.М. Фомин, Д.В. Шевченко//Транспорт на альтернативном топливе №5(23).-2011.- С.46-53.
5. Шевченко Д.В. Биоэнергетика автотранспорта/В.М. Фомин, Д.В. Шевченко//Транспорт на альтернативном топливе №6(24).- 2011.-С.51-58.
6. Шевченко Д.В. Водородная энергетика и современный транспорт/ В.М. Фомин,
Д.В. Шевченко//Транспорт на альтернативном топливе №2(26).- 2012.-С.56-61.
22
В других изданиях:
7. Шевченко Д.В. Топлива на основе водородосодержащих продуктов синтеза
спиртов как альтернатива повышения экологической безопасности на транспорте/В.М. Фомин, Д.В. Шевченко// Актуальные и научные вопросы: реальность и
перспективы.-Часть 4.- Тамбов, 2012.-С.167.
Денис Владимирович Шевченко
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
«Метод снижения содержания дисперсных частиц в отработавших газах дизеля»
Подписано в печать 03.12.2014
Объем 1,0 п.л. Тираж 100
_____________________________________________________________
Университет машиностроения, 107023, Москва, Б. Семеновская ул., д. 38.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
373 Кб
Теги
отработавших, метод, снижения, дизель, содержание, дисперсных, части, газа
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа