Повышение эффективности работы каталитического нейтрализатора в период прогрева дизеля путем рециркуляции отработавших газов

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА В ПЕРИОД ПРОГРЕВА

ДИЗЕЛЯ ПУТЕМ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

05.04.02 – «Тепловые двигатели»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск

2009

Диссертация выполнена на кафедре «Двигатели» Челябинского высшего военного автомобильного командно–инженерного училища (ЧВВАКИУ)

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент

Нефедов Дмитрий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шапран Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор

Морозова Вера Сергеевна

Ведущее предприятие – ФГУП «НАМИ», г. Москва

Защита состоится 25 ноября 2009 г., в 15 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.298.09 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, зал диссертационного совета (10й этаж главного корпуса).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, просим направлять в двух экземплярах по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76 на имя ученого секретаря диссертационного совета.

E-mail: [email protected]

Автореферат разослан « 25 » октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Лазарев Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Силовые установки относятся к числу наиболее ответственных агрегатов, формирующих технико-эксплуатационные свойства и показатели многоцелевых колесных и гусеничных машин. Наибольшее применение в качестве силовых установок военной автомобильной техники (ВАТ) нашли поршневые и комбинированные двигатели, в частности, дизели. Одной из существенных проблем, возникающей при эксплуатации дизелей, является повышенные выбросы вредных веществ отработавшими газами (ОГ), которые загрязняют окружающую среду и оказывают вредное воздействие на здоровье человека. Задача снижения выбросов вредных веществ двигателями внутреннего сгорания, в частности дизелями, приобретает все большее значение в государственном масштабе, особенно при эксплуатации в условиях ограниченного воздухообмена (карьерах, шахтах, закрытых помещениях, при скоплении большого количества автотракторной техники и т.п.). Решение этой задачи в ряде случаев обеспечивается даже в ущерб топливной экономичности дизелей.

Совершенствование способов и устройств для очистки и нейтрализации вредных веществ в ОГ дизелей является одним из ключевых факторов повышения экологических показателей автомобильной техники (АТ). Для снижения содержания окиси углерода (СО) и непредельных углеводородов (СН) в ОГ дизелей получили распространение каталитические нейтрализаторы (КН). Эти системы используются в дизелях, эксплуатирующихся в условиях ограниченного воздухообмена, несмотря на относительно низкий индекс содержания в ОГ окиси углерода и непредельных углеводородов по сравнению с оксидами азота. Конструктивные и технологические особенности выпускных систем с каталитическими нейтрализаторами в значительной мере определяют экологические показатели дизелей в специфических условиях эксплуатации. Они не требуют серьезных конструктивных изменений и незначительно снижают тактико-технические характеристики при установке их на существующие образцы ВАТ. Однако наличие КН в системе выпуска увеличивает противодавление на выходе, что приводит к некоторому ухудшению мощностных и экономических показателей работы дизелей.

Таким образом, несомненно, актуальна научная задача, состоящая в разрешении противоречия между необходимостью повышения мощностных и экономических показателей и требованиями по снижению выбросов вредных веществ, в частности СО и СН, отработавшими газами дизелей, связанного с использованием КН. Указанное в полной мере относится к периоду прогрева дизеля после пуска, целесообразность снижения которого в этой связи очевидна.

Гипотеза исследования: организация в период прогрева дизеля рециркуляции ОГ позволит снизить токсичность отработавших газов и время его тепловой подготовки к принятию нагрузки.

Цель работы: обеспечение требуемого уровня экологической безопасности по выбросам ОГ и ускоренной тепловой подготовки дизеля к принятию нагрузки (ГОСТ Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН № 49)).

Объектом исследования является процесс ускоренного прогрева дизеля КамАЗ-740.10 и КН в системе выпуска ОГ с перепускным (рециркуляционным) ресивером.

Предметом исследования являются процессы теплообмена в системе выпуска ОГ дизеля КамАЗ-740.10, оборудованной КН с перепускным ресивером, и содержание токсичных компонентов в ОГ.

Научная задача состоит в установлении закономерностей влияния перепускного ресивера в системе выпуска с КН на тепловое состояние дизеля, каталитического нейтрализатора и выбросы вредных веществ ОГ.

Для достижения указанной цели и подтверждения выдвинутой гипотезы поставлены и решены следующие задачи:

– разработана система, обеспечивающая снижение токсичности ОГ и времени тепловой подготовки дизеля к принятию нагрузки за счет установки в систему выпуска КН и перепускного ресивера с учетом применения ее на образцах АТ;

– теоретически обоснована целесообразность применения в системе выпуска ОГ дизеля перепускного ресивера для повышения эффективности работы КН и снижения времени тепловой подготовки дизеля к принятию нагрузки;

– разработана математическая модель ускоренного прогрева дизеля с учетом рециркуляции ОГ и процессов теплообмена в системе выпуска с КН и перепускным ресивером;

– экспериментально оценена эффективность применения предлагаемой системы снижения токсичности и адекватность математической модели;

– выполнена техническая и экономическая оценка, а также разработаны рекомендации по использованию предлагаемой системы снижения токсичности ОГ на образцах АТ.

Методологической основой исследования служат основные положения классической термодинамики, термодинамического анализа и приближенный метод математического анализа.

Методы исследования. Для реализации задач и достижения поставленной цели в работе используются: теоретический анализ и обобщение научной и специальной литературы; комплексы стендовых методов исследования системы выпуска ОГ дизеля КамАЗ–740.10 с КН и перепускным ресивером и испытаний автомобиля по ГОСТ Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН № 49); методы логического анализа, графической и статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна заключается:

– в обосновании использования энергии рециркулируемых ОГ для повышения эффективности работы каталитического нейтрализатора и снижения времени тепловой подготовки дизеля к принятию нагрузки;

– в разработке математической модели прогрева дизеля с учетом рециркуляции ОГ, процессов теплообмена в системе выпуска с каталитическим нейтрализатором.

На защиту выносятся:

– техническая система, обеспечивающая снижение токсичности ОГ и время тепловой подготовки дизеля к принятию нагрузки;

– математическая модель ускоренного прогрева дизеля с учетом рециркуляции ОГ, процессов теплообмена в системе выпуска с КН;

– результаты экспериментальных исследований оценки эффективности применения предложенной технической системы;

– результаты технического и экономического эффекта, а также рекомендации по использованию предлагаемой технической системы на образцах АТ.

Практическая ценность работы состоит в сокращении продолжительности периода прогрева каталитического нейтрализатора более чем в четыре раза и снижении токсичности ОГ дизеля в этот период на 64 %.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается достаточным объемом экспериментов, применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором современной измерительной аппаратуры, систематической её поверкой и контролем погрешностей, выполнением рекомендаций соответствующих стандартов на испытания и корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения, выводы и практические рекомендации обоснованы результатами, полученными в ходе экспериментов.

Апробация работы и внедрение результатов исследования: основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Рязанского военного автомобильного института (2007–2008 гг.) и Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (2007–2009 гг.); научно-технических семинарах кафедры двигатели внутреннего сгорания Южно–Уральского государственного университета (2007–2009 гг.); межвузовской научно-технической конференции Челябинского агроинженерного университета (2009 г.).

Результаты выполненной работы внедрены при оценке перспектив совершенствования систем нейтрализации ОГ в ЗАО «Ремдизель» (г. Набережные Челны), ОАО «НИИ автотракторной техники» (г.Челябинск), при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов курсов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском высшем военном автомобильном командно–инженерном училище и Рязанском военном автомобильном институте.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 патента на полезную модель. Отдельные вопросы исследования более подробно освещены в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненным на кафедре «Двигатели» Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища при участии автора.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 146 страниц, в том числе 20 рисунков, 15 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 105 наименований, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, приводятся основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния автомобильного парка ВС РФ и достигнутого уровня экологической безопасности, находящихся в эксплуатации объектов АТ, который свидетельствует о неполном соответствии показателей их силовых установок, в частности дизелей, ГОСТ Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН № 49).

Проанализированы резервы повышения экономических и экологических показателей дизелей. Приводятся укрупненные составляющие их теплового баланса, свидетельствующие о значительном резерве теплоиспользования за счет утилизации тепловых потерь. Показано, что до 42 % теплоты, сжигаемого в дизелях топлива, выбрасывается в окружающую среду с ОГ.

Проанализированы системы снижения вредных веществ с отработавшими газами поршневых двигателей, в частности дизелей, в целом и системы каталитической нейтрализации ОГ в частности. В качестве серьезного недостатка отмечена необходимость обеспечения высокой температуры (523…573 К) для эффективной работы каталитического нейтрализатора. Это снижает эффективность его работы на ряде режимов и последующем прогреве после пуска холодного дизеля.

С целью снижения продолжительности тепловой подготовки дизеля КамАЗ 740.10 к принятию нагрузки и обеспечения требуемого температурного режима для эффективной работы каталитического нейтрализатора в период прогрева предложено использовать рециркуляцию ОГ. Это мероприятие позволит повысить эффективность использования энергии сжигаемого в дизелях топлива и снизить токсичность ОГ при послепусковом прогреве. В качестве технического средства реализации этого мероприятия рассматривается установка в систему выпуска дизеля с каталитическим нейтрализатором перепускного ресивера с устройствами перепуска ОГ.

Во второй главе теоретически обоснована целесообразность использования энергии ОГ поршневого двигателя внутреннего сгорания (ПДВС), в частности дизеля, с целью повышения эффективности работы каталитического нейтрализатора посредством рециркуляции ОГ с использованием перепускного ресивера. В соответствии с рисунком 1 использование системы дифференциальных уравнений энергетического баланса позволило проанализировать изменение структуры энергии потока ОГ и механизма её передачи от дизеля к каталитическому нейтрализатору, от каталитического нейтрализатора к ресиверу и от ресивера к дизелю.

Описана термодинамическая природа и сущность процесса рециркуляции ОГ с использованием ресивера, установленного в систему выпуска дизеля. Определены основные допущения и выполнено математическое моделирование процесса прогрева дизеля с учетом рециркуляции ОГ. Методом многофакторного численного эксперимента выполнен синтез рабочего цикла дизеля на режиме прогрева, дополненный учетом особенностей процессов теплообмена в системе выпуска ОГ.

Математическое моделирование в дифференциальном представлении осуществлено:

– процесса прогрева дизеля с учетом рециркуляции отработавших газов использованием системы уравнений теплового баланса (1) и (2)

, (1)

, (2)

где: – приращение температуры рабочего тела; – теплота, выделившаяся при сгорания топлива; – теплота, отведенная от рабочего тела в стенки цилиндра; – теплота, подведенная к рабочем телу рециркуляционными газами; – теплота, отведенная от рабочего тела с ОГ; – работа, совершаемая рабочим телом; – масса воздуха в цилиндре; – масса «чистых» продуктов сгорания в цилиндре; – удельная теплоемкость воздуха; – удельная теплоемкость «чистых» продуктов сгорания, – количество газов, поступающих в цилиндр через впускной клапан; – удельная энтальпия смеси газов во впускном коллекторе; – удельная внутренняя энергия рабочего тела в цилиндре; – элементарное количество газов, забрасываемых из цилиндра через впускной клапан во впускной коллектор; – удельная энтальпия рабочего тела в цилиндре,

– процесса теплообмена в выпускном тракте дизеля использованием системы уравнений (3) и (4)

. (3)

(4)

где: Din, Dout – диаметры впускного и выпускного коллекторов; – коэффициент излучения.

– процесса теплообмена в нейтрализаторе использованием системы уравнений (5), (6), (7) и (8)

; (5)

; (6)

; (7)

. (8)

где: ,– концентрация i-го и j-го компонентов газа; – тепловой эффект реакции; а – коэффициент теплопроводности рабочего тела; сp – удельная массовая теплоемкость; U – скорость газа; Tg – температура ОГ; Ts – температура каталитического нейтрализатора.

При составлении математической модели автором дополнительно учтены: теплота, поступающая с рециркуляционными газами, процесс теплообмена в выпускном тракте рассчитывался с учетом точки росы, процесс теплообмена в нейтрализаторе рассматривался дифференцированно: описывались и анализировались «горячая» и «холодная» фазы.

Для моделирования рабочего процесса и процессов теплообмена в системе выпуска отработавших газов использована программа визуального проектирования SIMULINK пакета MATLAB по составленному автором алгоритму математического моделирования процессов прогрева и теплообмена в выпускном тракте дизеля.

В третьей главе приведены программа экспериментальных исследований, состоящая из пяти этапов, описание экспериментальной установки и измерительной аппаратуры.

Первый этап программы предполагал разработку методики испытаний системы снижения вредных веществ с отработавшими газами дизеля с каталитическим нейтрализатором и ресивером. Затем на втором этапе производилось уточнение диапазона изменения показателей, определяемых в ходе экспериментального исследования, для выбора соответствующей измерительной аппаратуры и приборов.

Третий этап включал исследование влияния процесса прогрева системы выпуска ОГ на работу нейтрализатора, эффективность которого определяется снижением содержания СО и СН в отработавших газах. Испытания нейтрализатора НД59-14Г (НАМИ) проводились на режимах 13-ступенчатого цикла в соответствии с
ГОСТ Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН № 49) для получения зависимостей, характеризующих влияние температуры ОГ на эффективность работы каталитического нейтрализатора.

Четвертый этап программы посвящен исследованию влияния процесса рециркуляции отработавших газов на тепловое состояние дизеля на режимах холодного пуска и прогрева. Испытания дизеля проводились на специально созданном лабораторном стенде, схема которого представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принципиальная схема экспериментального стенда для испытания

дизеля с каталитическим нейтрализатором, ресивером и устройствами перепуска ОГ

1 – топливный бак; 2 – термопара; 3 – балансирная машина; 4 – весовое устройство балансирной машины; 5 – пульт управления; 6 – испытательный стенд DS-1036; 7 – перепускной воздуховод; 8 – ресивер; 9 – пьезометр; 10 – заслонки; 11 – каталитический нейтрализатор; 12 – термопара; 13 – дизель КамАЗ–740.10; 14 – расходомер топлива

* дополнительно установка оборудована охладителем ОГ (на схеме не показан)

Используемое оборудование и измерительные приборы подвергались метрологическому контролю, что позволило при испытаниях выполнять требования
ГОСТ 14846-1981. Испытания дизеля проводились по программе полнофакторного эксперимента размерности 23.

На пятом этапе производилась оценка адекватности предложенной математической модели ускоренного прогрева дизеля с учетом рециркуляции ОГ полученным экспериментальным данным. Выполнена оценка погрешностей измерений, проведенных в ходе испытаний дизеля с рассматриваемой системой выпуска.

Четвёртая глава содержит результаты и анализ экспериментов. Получены зависимости, отражающие изменение режимных параметров (давление Рог, температура Тог ОГ и температура Тр рециркулируемых газов) в соответствии с рисунком 3. Эти параметры являются составляющими уравнений теплового баланса, изменение которых оказывает существенное влияние на показатели структуры теплового потока ОГ. Целесообразно проанализировать полученные результаты при изменении каждого из приведенных параметров.

В соответствии с рисунком 3,а приведены зависимости давления ОГ от времени заполнения ресивера при переменной температуре отработавших газов. Можно заметить, что за период времени в 5 с наблюдается одинаково интенсивный рост Рог при регулировании температуры ОГ с помощью охладителя (кривые 2 и 3). При отсутствии регулирования температуры ОГ характерен более плавный рост давления Рог (кривая 1). В течение последующих 10 с наблюдается стабилизация давления, а затем продолжается его повышение практически во всех исследуемых случаях изменения температуры ОГ. По истечении 40 с давление газов стабилизируется при значении Рог = 2,4 Па. Повышение давления ОГ при заполнении ресивера объясняется ростом сопротивления его наполнению.

а б

Рисунок 3 – Изменение давления ОГ и температуры рециркулируемых газов в зависимости от времени при заряде ресивера при переменных температурах ОГ

–– – без регулирования Тог ;