Введение

Введение        

               

8 ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ.

ДВС — двигатель внутреннего сгорания

ОГ - отработавшие газы

ТК - токсичные компоненты

ВВ - вредные вещества

УСТ - устройство для снижения токсичности

КН - каталитический нейтрализатор

НОГД - нейтрализатор отработавших газов дизеля

ЭТКН - электротермокаталитический нейтрализатор

МТА - машинно-тракторный агрегат

МТП - машинно-тракторный парк

ОС - окружающая среда

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды

ССТ - система снижения токсичности

ММ - математическая модель

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

КД - кольцевой диффузор

ЗУ - устройство для закручивания потока

РЗ - рециркуляционная зона

НК - зона с носителем катализатора

ЭН - электрическое нагревательное устройство

ВВЕДЕНИЕ

Атмосферный воздух нашей планеты загрязняется различными токсичными веществами. Условно принято считать, что источниками половины их являются стационарные установки, а другую половину составляет мобильная техника. Так, автомобилями и тракторами в мире выбрасывается в атмосферу примерно 2О...27млн. т оксида углерода, 2...2,5млн. т углеводородов, 6...9млн. токсидов азота, до 190 тыс. т соединений серы, до 100 тыс. т сажи, 13 тыс. т тяжелых металлов, 200...230 млн. т оксида углерода, а также выделяется до 3,1 *1012 МДж теплоты (тепловое загрязнение). Суммарная масса выбросов всех дизелей, находящихся в странах СНГ, составляет 14... 18 млн. т в год.[1]

Анализ современных тенденций в создании новых источников энергии и обновления парка мобильных машин различного назначения показывает, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в обозримом будущем останутся основным источником энергии на этих машинах, причем среди силовых установок автомобилей, тракторов и комбайнов наиболее экономичной тепловой машиной остается дизель.

Известно, что дизель является наиболее эффективной машиной для преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу. Вследствие более высокого коэффициента полезного действия, удельный расход топлива у дизеля на 25...30% ниже, чем у карбюраторного двигателя. Это привело к тому, что основной объем перевозок в Российской Федерации и за рубежом осуществляется дизельным автотранспортом, а мобильная сельскохозяйственная техника в основном работает на дизельной тяге. Однако, токсичные выбросы дизелей в районах возделывания сельскохозяйственных культур оказывает негативное влияние на экологическую обстановку. Это приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, продуктивности

10

животноводства, ухудшению качества кормовых растений, мясо-молочной продукции, снижению ценности садовых культур, а также интенсифицированию коррозии металлов и преждевременному разрушению строительных материалов. В полной мере это относится к составу воздуха как в кабинах тракторов, самоходных машин, комбайнов, так и в животноводческих комплексах, внутрицеховых помещениях, парниках, хранилищах, складах и других местах с ограниченным воздухообменом. Поэтому отработавшие газы дизелей (ОГ), содержащие высокотоксичные вещества, являются серьёзной экологической проблемой, актуальность которой возрастает в связи с постоянным ростом мирового парка мобильной техники. Общий ущерб от этого загрязнения в развитых странах составляет десятки миллиардов долларов ежегодно [1], а ежегодный экологический ущерб от функционирования транспортного комплекса РФ составляет 3,4 миллиарда долларов США или около 1,5% ежегодного валового национального продукта России [2].

В результате этого, в настоящее время во многих регионах РФ сложилась крайне сложная экологическая обстановка, обусловленная тем, что масштабы хозяйственной деятельности человека формируют существенное превышение допустимых экологических нагрузок на природные комплексы, а восстановление нарушенных геосистем происходит крайне медленно.

Следует отметить, что существующие в России нормы на выбросы токсичных компонентов значительно уступают требованиям ИСО и правилам ЕЭК ООН. Ситуация для производителей сельхозмашин, тракторов и автомобилей ещё более усугубляется тем, что с середины 2004 в РФ ожидается введение строгих норм на выброс основных токсичных компонентов (СО, СН, NO^, сажи) - «Евро-2», которые ужесточают действующие нормы почти на порядок. Отсюда снижение токсичных выбросов и дымности становится одной из первоочередных задач

и

отечественного дизелестроения и технической эксплуатации. Это послужило основанием для разработки высокоэффективных методов и систем снижения токсичности отработавших газов автотракторных дизелей, что отражено в «Концепции развития сельскохозяйственных тракторов и тракторного парка России на период до 2010г.»[3].

Существующие способы снижения токсичности ДВС в основном заключаются в конструктивных изменениях двигателей с целью воздействия на характер протекания рабочего процесса, применении альтернативных видов топлива и присадок к нему, рециркуляции отработавших газов, а также в оснащении двигателей нейтрализаторами и сажевыми фильтрами.

Меры, связанные с внесением существенных изменений в конструкцию двигателей, а также применение альтернативных видов топлива потребуют серьезной перестройки промышленности, топливно-энергетического комплекса, вложения крупных инвестиций, что в условиях реорганизации российской экономики вряд ли реально. Кроме того, эти меры, снижая токсичность, как правило, ухудшают мощностные и экономические показатели двигателей.

Поэтому из перечисленных выше способов снижения токсичности в настоящее время наиболее эффективным и приемлемым с точки зрения материальных затрат, является установка в выпускной системе двигателя нейтрализаторов ОГ и сажевых фильтров. Этот вывод согласуется с прогнозом известной германской фирмы «Бош» о том, что выполнение жестких стандартов ООН и перспективных норм токсичности «Евро-4»(2005г.) и «Евро-5»(2008г.) может быть обеспечено лишь с применением каталитической нейтрализации и установкой сажевых фильтров в выпускной системе двигателей [4].

Проблемная ситуация состоит в том, что наиболее экономичный и, вследствие этого, динамично растущий парк дизельной мобильной техники

12

создает высокую экологическую нагрузку на природную среду, значительно превосходящую допустимые нормы. Однако, применение большинства существующих способов снижения токсичных выбросов дизелей по указанным выше причинам весьма затруднительно. Достаточно эффективным и приемлемым с точки зрения материальных затрат способом достижения современных и еще более жестких перспективных норм допустимой токсичности является термохимическая очистка ОГ в выпускной системе дизеля. Отсюда, основным направлением данной работы является разработка и совершенствование методов и технических средств для эффективной термической и каталитической очистки отработавших газов дизелей с целью повышения их экологической безопасности. Достичь этого можно в результате оптимизации основных параметров работы нейтрализаторов, основанной на математическом моделировании протекающих в них процессов и разработке конструкций устройств, в которых реализованы новые принципы очистки ОГ. Сложность рассматриваемых вопросов предопределяет необходимость комплексного подхода к решению проблемы повышения экологической безопасности автотракторной техники при эксплуатации.

Из вышеизложенного видно, что разработка и внедрение технических средств (устройств) для эффективной термической и каталитической очистки ОГ, обладающих повышенным ресурсом работы и не снижающих мощностных и топливно-экономических показателей двигателя, является важной народнохозяйственной проблемой. Без решения этой проблемы невозможно обеспечить экономичную эксплуатацию мобильной техники и допустимые нормы экологической нагрузки на окружающую среду.

Данная работа выполнена в ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ имени " по плану НИР университета в рамках целевых программ по повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве и научно-технического прогресса в

13

агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона. Решение отдельных частных задач и внедрение результатов в производство выполнено автором совместно с аспирантами , Истоминым СВ., , В рамках выполненных исследований под научным руководством автора защищены четыре кандидатских диссертации.

Актуальность работы подтверждается тем, что исследования проведены в соответствии с Федеральной программой №04.01.06. на 2001-2005г. г.,выполняемой совместно с Всероссийским научно-исследовательским и проектно технологическим институтом по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ГНУ ВИИТиН, г. Тамбов - см. Приложение 1), научным направлением 1.2.9 "Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжского экономического района на 20 лет до 2010г."(№ гос. регистрации 840005200), региональной научно-технической программой "Повышение уровня механизации АПК Саратовской области'У'Концепцией развития АПК Саратовской области до 2005г.", а также в соответствии с комплексной темой №5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. "Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве".

Цель работы. Повышение экологической безопасности автотракторных дизелей путем разработки и совершенствования методов и технических средств очистки отработавших газов, обеспечивающих значительное снижение вредных выбросов мобильной техники.

Объект исследований. Автотракторный дизель Д-240 и его модификации, оборудованные термическими и термокаталитическими нейтрализаторами отработавших газов.

Методика исследований основана на использовании современных методов и измерительных приборов.

14

В основу методики изучения объектов исследования положен системный подход, комплексные и сравнительные экспериментальные исследования. Системность подхода заключается в том, что дизель с нейтрализатором ОГ рассматривается как сложная система, состоящая из подсистем, взаимодействующих друг с другом, с увязкой требований к отдельным элементам и системе в целом. Комплексность подхода заключается в том, что факторы, влияющие на эффективность очистки ОГ, рассматривались не изолированно, а при учете их взаимного влияния на процессы, протекающие в нейтрализаторе при работе дизеля. При этом анализировались механические, физические, химические, тепловые и другие процессы, оказывающие влияние на эффективность очистки ОГ. Теоретические исследования велись на основании законов газовой динамики и тепломассообмена, современной теории многомерного статистического анализа, математического моделирования, данных физического эксперимента. Теоретическое решение поставленных задач полностью определило круг экспериментальных работ, необходимых для выполнения поставленной цели работы. Оптимизация параметров нейтрализаторов проводилась на основании математических моделей стоимостного критерия и комплексного критерия эффективности нейтрализатора. Замер концентраций токсичных компонентов, при экспериментальных исследованиях, проводился высокоточным газоанализатором «TESTO-350» (Германия), дымность регистрировалась дымомером «Смог-1». При исследовании эффективности глушения шума выпуска дизеля нейтрализаторами-глушителями использовался измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М2. Математическое моделирование процессов, протекающих в нейтрализаторах, оптимизация конструктивных параметров и обработка результатов эксперимента проводились с помощью современного програмного обеспечения и процессора «Intel Pentium III».

15

Научная проблема заключается в систематизации и обобщении основных закономерностей процессов, протекающих в нейтрализаторах для термической и каталитической очистки ОГ дизелей и на этой основе разработке и оптимизации эффективных технических средств, повышающих экологическую безопасность дизелей, имеющих длительный ресурс работы и не снижающих при этом мощностных и топливно-экономических показателей двигателей.

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы экологической безопасности дизелей, анализу и обобщению теоретических положений и закономерностей, в результате которых:

- теоретически обоснованы способы совершенствования процесса очистки ОГ дизелей;

- разработаны математические модели процессов, протекающих в устройствах для термической и каталитической очистки (нейтрализации) ОГ при работе дизеля и дано теоретическое обоснование разработанных конструкций нейтрализаторов;

- определено влияние процесса вращения потока ОГ в нейтрализаторе с закручивающим устройством (ЗУ) на степень очистки ОГ от токсичных компонентов и динамику движения сажевых частиц, определяющую их сепарацию;

- получены экспериментально-теоретические зависимости для расчета газодинамического сопротивления, создаваемого нейтрализаторами ОГ дизелей;

- разработаны теоретические основы оптимизации основных параметров устройств для уменьшения токсичных выбросов дизелей;

- предложен комплексный критерий эффективности рабочего процесса нейтрализатора, учитывающий степень очистки ОГ дизеля от токсичных

16

компонентов (сажи, NO^h CO), газодинамические и тепловые потери в элементах нейтрализатора;

- разработана методика оценки эффективности способов и устройств для снижения токсичных выбросов дизелей на различных эксплуатационных режимах работы машинно-тракторного агрегата.

На основе выполненных исследований в работе определены и выносятся на защиту следующие научные положения :

1. Теоретическое обоснование способов совершенствования процесса очистки ОГ дизелей и конструкций нейтрализаторов;

2. Математические модели процессов, протекающих в устройствах для термической и каталитической очистки ОГ при работе дизеля;

3. Экспериментально-теоретические зависимости для расчета газодинамического сопротивления, создаваемого нейтрализаторами ОГ дизелей;

4. Теоретические основы оптимизации основных параметров устройств для уменьшения токсичных выбросов и обоснование комплексного критерия эффективности каталитического нейтрализатора;

5. Методика оценки эффективности способов и устройств для снижения токсичных выбросов дизелей на различных эксплуатационных режимах работы машинно-тракторного агрегата;

6. Результаты экспериментальных исследований разработанных нейтрализаторов отработавших газов дизелей.

Практическая ценность работы заключается в совершенствовании технологии очистки ОГ и в конструкции термических и термокаталитических нейтрализаторов-глушителей, которые позволяют снизить выбросы СО и СН на 60...70%, NO^ - на 45...50%, сажевых частиц

17

— на 20...30% и отказаться от использования штатного глушителя шума выпуска дизеля. Нейтрализаторы обладают малым (2... 3,5%) газодинамическим сопротивлением и значительным (доЗОООм-ч) ресурсом службы нейтрализатора. Применение их на мобильной технике позволит значительно уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду и выполнить действующие и перспективные нормы допустимых выбросов токсичных веществ.

Конструкции разработанных нейтрализаторов защищены патентами РФ Ж№ 000, 2119065, 2174184,2184249 (см. Приложение 2).

Разработанные математические модели процессов, протекающих в нейтрализаторах при работе дизелей, и предложенные теоретические основы оптимизации могут быть использованы научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при создании современных антитоксичных устройств для мобильной техники с целью улучшения ее экологических параметров. Предложенный в работе комплексный критерий эффективности рабочего процесса нейтрализатора и методика оценки работы нейтрализатора на различных эксплуатационных режимах машинно-тракторного агрегата позволяют оценить эффективность нейтрализаторов различных типов.

Предложены рекомендации по снижению вредных выбросов при эксплуатации мобильной техники, которые будут полезны для инженерно-технических работников.

Реализация результатов исследований. Экспериментальные нейтрализаторы, установленные на тракторах МТЗ-80, МТЗ-82 и ДТ-75, прошли производственную проверку и приняты к внедрению в ряде хозяйств Саратовской области: ООО "Интеграл", ООО "Агро-МТС", ТОО "Ударник" Лысогорского района, ООО "Степная Нива" Перелюбского района, ТОО им. Кирова калининского района, АО "Маяк" Федоровского района, ТОО им. Ленина Татищевского района (см. Приложение 3). За

               

       Список литературы