Разработка и исследование каталитических нейтрализаторов бензиновых двигателей для автомобилей массой до 3,5 т, обеспечивающих выполн е ние экологических требований
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
Центральный ордена Трудового Красного Знамени
научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт
ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»
На правах рукописи
Папкин Борис Аркадьевич
разработка и Исследование каталитических нейтрализаторов бензиновых двигателей для автомобилей массой до 3,5 т, обеспечивающих выполнение экологических требований
Специальность: 05.04.02 - «Тепловые двигатели»
автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2010
Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ».
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор Каменев Владимир Федорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Драгомиров Сергей Григорьевич
кандидат технических наук,
Суханов Николай Федорович
Ведущая организация ОАО «АвтоВАЗагрегат», г. Тольятти
Защита состоится « 15 » апреля 2010г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 217.014.01 при Государственном научном центре Российской Федерации Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ» по адресу: 125438 г.Москва, Автомоторная ул. дом 2; электронная почта: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.
Автореферат разослан «09» марта 2010г.
Телефон для справок: (495) 456-40-40
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук,
ст. научный сотрудник А. Г. Зубакин
http://www.nami.ru
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Рост мирового автомобильного парка, особенно в городах и промышленных мегаполисах, ведет к глобальному загрязнению окружающей среды вредными выбросами автомобильных двигателей и соответственно к критическому загрязнению атмосферы. Поэтому снижение вредных выбросов с отработавшими газами двигателей автотранспортных средств является одной из наиболее значимых задач для разработчиков и производителей автотранспортных средств. При этом особое внимание обращается на разработку систем и устройств, эффективно снижающих вредные выбросы. Эффективной и распространенной системой для автомобилей с бензиновым двигателем является бифункциональная система нейтрализации вредных веществ отработавших газов. Основным элементом такой системы является каталитический нейтрализатор.
Принятые Правительством Российской Федерации Концепция развития автомобильной промышленности на период до 2010 г., Специальный технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» предусматривали в 2008 г. полный переход промышленности на выпуск автотехники, соответствующей нормативным требованиям экологического класса 3, и поэтапное совершенствование конструкции выпускаемых автомобилей и в том числе устанавливаемых на них нейтрализаторов с целью достижения к 2012 г. нормативных требований экологического класса 4 (постановление Правительства РФ от 26 ноября 2009 года № 956).
Вышесказанное требует проведения обширных исследований и поиска новых технических решений по конструкции нейтрализаторов и применения новых материалов с целью повышения эффективности конверсии вредных веществ, повышения надежности и ресурса работы в эксплуатации, а также снижения их стоимости.
Исследования, посвященные данной проблеме, выполнены рядом российских и зарубежных ученых, таких как: Большаков А.М., Бурков В.И., Варшавский И.Л., Данченко Н.М., Ерохов В.И., Звонов В.А., Каменев В.Ф., Кутенев В.Ф., Панчишный В.И., Патрахальцев Н.Н., Терентьев Б.А., Фомин В.М., Хрипач Н.А., Bielaczyc O., Gulati S.T., Morgan C.R. и др.
Решение задач по социально важной проблеме экологической безопасности автотранспорта определяет актуальность темы диссертации.
Выполненные в рамках представленной работы исследования направлены на совершенствование технико-экономических и экологических показателей новых нейтрализаторов, разрабатываемых для автомобилей российского производства. Исследования проводились в соответствии с НИР и ОКР ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», автомобильных заводов и кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» МГТУ «МАМИ».
Цель работы: повышение эффективности работы автомобильных нейтрализаторов в составе системы выпуска бензиновых двигателей на режимах, характерных для интенсивного городского движения автомобиля, с учетом выполнения нормативных требований экологических классов 3 и 4 специального технического регламента "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ" без ухудшения параметров надежности и ресурса в эксплуатации.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:
- Исследование особенностей процессов нестационарного тепло-массообмена в цилиндрах ДВС на характерных для городского движения автомобиля режимах глубокого дросселирования и малых нагрузках и их влияния на параметры отработавших газов на выпуске.
2. Разработка методики расчета параметров нестационарного теплообмена по длине выпускного тракта двигателя в период фазы выпуска с целью определения температурного состояния рабочего тела на входе в нейтрализатор и оценки его эффективности.
3. Проведение экспериментальных исследований различных типов нейтрализаторов и выбор рациональных вариантов конструкций и материалов для новых нейтрализаторов для автомобилей массой до 3,5 т, обеспечивающих заданными нормативными требованиями и техническими условиями эффективность, надежность и ресурс.
4. Оптимизация загрузки, состава и соотношения драгметаллов, обеспечивающая снижение себестоимости нейтрализатора при условии выполнения нормативных требований экологического класса 3 и сохранения заданного техническими условиями ресурса работы.
5. Оптимизация расположения нейтрализатора в выпускной системе двигателя, обеспечивающая быстрый его прогрев и выход на эффективный режим работы на режимах глубокого дросселирования двигателя в условиях городского цикла движения автомобиля и исключающая термоперегрузки и разрушения на режимах полных нагрузок при интенсивном магистральном движении.
6. Разработка предложений по конструктивному исполнению проточного тракта системы подводящих к нейтрализатору каналов, обеспечивающих наиболее равномерное структурное состояние газового потока на входе в нейтрализатор, предназначенного для автомобилей экологического класса 4.
Методы исследования. Расчетно-теоретические исследования проводились с использованием комплексной методики изучения внутрицилиндровых процессов и температурного состояния рабочего тела в выпускном тракте двигателя, которая представляет собой совокупное сочетание расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Проверка достоверности расчетов проводилась на основе сравнения данных моделирования и результатов экспериментальных исследований двигателя внутреннего сгорания. Экспериментальные исследования двигателя и нейтрализаторов проводились на моторном стенде - по специально разработанным методикам ускоренных испытаний и в соответствии с ГОСТ 14846 "Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний" и на беговых барабанах в составе автомобиля по ездовым циклам Правил 83 ЕЭК ООН.
Достоверность и обоснованность научных положений и полученных результатов обусловлены:
- применением фундаментальных законов теории ДВС, газодинамики, теплофизики, термодинамики, а также их соответствием выявленным особенностям реальных процессов;
- использованием сертифицированных средств и методов натурных измерений на полноразмерном двигателе;
- экспериментально подтвержденным удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных результатов.
Научная новизна. На основе проведенных исследований процессов тепломассообмена во внутрицилиндровом пространстве и в проточном тракте выпускной системы современных бензиновых двигателей на режимах городского цикла движения автомобилей категории М1 разработана комплексная методика расчета показателей эффективности системы нейтрализации, которая включает:
- математическую модель и программу расчета параметров процессов тепломассообмена в бензиновом автомобильном двигателе с учетом особенностей газообмена, в частности, в период перекрытия впускных и выпускных клапанов, на режимах глубокого дросселирования и малых нагрузок;
- математическую модель и программу расчета параметров нестационарного теплообмена в проточном тракте выпускной системы двигателя с целью определения конструктивных параметров нейтрализатора и выбора оптимального его места расположения в выпускном трубопроводе.
Правильность принятой методологии расчета и адекватность разработанных математических моделей были подтверждены результатами экспериментальных исследований; расхождение данных расчета и эксперимента не превышало 5%.
Практическая ценность. С использованием разработанной методики расчета проведено экспериментальное исследование на надежность, эффективность и ресурс нейтрализаторов с различными отличительными особенностями (по конструкции корпуса, по загрузке и составу драгметаллов, по типу блоков носителей катализатора), на основании которого разработаны конкретные рекомендации по созданию наиболее эффективных и надежных нейтрализаторов для отечественных автомобилей массой до 3,5 тонн, обеспечивающих выполнение нормативных требований экологического класса 3.
Осуществлено исследование по оптимизации состава и загрузки драгметаллами блока носителя нейтрализатора с целью снижения его себестоимости. Установлено, что себестоимость оптимизированного состава драгметаллов может быть снижена на 20% по сравнению с исходным составом при сохранении эффективности и ресурса нейтрализатора.
По результатам исследования разработаны два новых типа высокоэффективных нейтрализаторов с пониженной себестоимостью по сравнению с существующими образцами, которые внедрены в производство на ОАО «АвтоВАЗ» и на сборочных заводах его партнеров.
По результатам проведенных расчетных и экспериментальных исследований получены предварительные рекомендации для дальнейшей разработки типоразмерного ряда перспективных нейтрализаторов отечественного производства, наиболее близко расположенных к выпускному коллектору ДВС (в подкапотном пространстве автомобиля), обеспечивающих выполнение нормативных требований экологического класса 4.
Объектами исследования являются бензиновые двигатели автомобилей ВАЗ, нейтрализаторы, каталитические блоки и материалы, используемые в системах нейтрализации отработавших газов двигателя.
Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные результаты проведенного исследования используются в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» при выполнении программы фундаментальных и поисковых исследований научного центра. По результатам исследования разработаны два новых типа высокоэффективных нейтрализаторов с пониженной себестоимостью по сравнению с существующими образцами, обеспечивающие выполнение нормативных требований экологического класса 3, которые внедрены в производство на ОАО «АвтоВАЗ» и на сборочных заводах его партнеров. Материалы диссертации используются в лекционных курсах «Экология и токсичность ДВС», «Тепловые двигатели» и при выполнении курсовых и дипломных проектов в МГТУ «МАМИ».
Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели» МГТУ «МАМИ» и на заседании секции «Двигатели и экология» научно-технического совета ГНЦ РФ ФГУП НАМИ. По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады на:
- 2-м международном автомобильном научном форуме ФГУП «НАМИ», 2004 г.;
- международной научно-технической конференции «2-е Луканинские чтения. Пути решения энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», МАДИ (ГТУ), Москва, 2005 г.;
- 49-ой Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», МГТУ «МАМИ»2005 г.;
- втором международном симпозиуме «Водородная энергетика будущего и металлы платиновой группы в странах СНГ», МИРЭА, 2005г.;
- второй международной конференции Берлин – ПМ’2006 (Proceedings of the 2nd International Conference PM-2006, Germany, Berlin – 2006).
Публикации. Основные положения диссертации представлены в 8 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 188 страницах и содержит введение, пять глав основного содержания, проиллюстрированного 24 таблицами и 99 рисунками, общие выводы и список использованной литературы из 87 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ диссертации
Во введении обоснована актуальность и важность для народного хозяйства проблемы и выбранного направления исследования.
Первая глава диссертации посвящена анализу отечественного и зарубежного опыта по рассматриваемой проблеме. Анализ состояния проблемы выбросов вредных веществ автомобильными бензиновыми двигателями и исследований по конструкциям и эффективным показателям зарубежных и отечественных нейтрализаторов позволяет сделать следующие выводы.
- За последние 10 лет парк легковых автомобилей вырос в 1,7 раза и в 2012 г. может достигнуть 38 - 39 млн. единиц. Количество легковых автомобилей с бензиновыми двигателями при этом будет составлять 80% от общего числа. Это приведет к увеличению суммарного выброса вредных веществ автомобильными двигателями и катастрофическому загрязнению атмосферы крупных городов и промышленных центров.
- С 2005 года в Российской Федерации действует специальный технический регламент "О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ", согласно которому с 2008 года действуют нормы экологического класса 3, аналог норм ЕВРО-3 Европейского стандарта, и согласно постановлению Правительства РФ от 26 ноября 2009 года № 956 с 2012 года будут действовать более жесткие нормы экологического класса 4.
- Хотя в настоящее время разработано достаточно много средств снижения выброса вредных веществ автомобильными двигателями, основным и наиболее эффективным является применение бифункциональной системы нейтрализации отработавших газов. Основным элементом такой системы является каталитический нейтрализатор.
- Работа автомобильного двигателя в условиях интенсивного городского движения определяются высокой долей режимов глубокого дросселирования, то есть режимов холостого хода и близких к ним режимов малых нагрузок.
- Работа двигателя на этих режимах характеризуется повышенными расходами топлива и выбросами вредных веществ, что связано с особенностями процессов газообмена и сгорания в двигателе при его глубоком дросселировании.
- Используемые в настоящее время комплексные методики расчета рабочего процесса двигателя и последующих термодинамических процессов в выпускной системе двигателя практически не учитывают особенности режимов глубокого дросселирования и поэтому не позволяют достоверно определить параметры отработавших газов, поступающих в рабочую полость нейтрализатора, что затрудняет разработку его конструкции, оптимизацию используемых состава и соотношения драгметаллов и выбор местоположения нейтрализатора в выпускной системе.
Исходя из проведенного в этой главе анализа, были сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе проведены результаты теоретических исследований внутрицилиндровых процессов двигателя, процессов тепломассообмена в выпускной системе.
Важнейшей задачей теоретических исследований является расчет температур и параметров отработавших газов, выходящих из цилиндров двигателя на всех режимах его работы, и изменения их состояния в процессе тепломассообмена при движении в выпускном тракте вплоть до входа в реакционное пространство нейтрализатора. Эти исследования проводились с помощью обобщенной математической модели, моделирующей рабочие процессы двигателя и процессы тепломассопереносов в выпускном тракте. Обобщенная математическая модель включала частные подмодели рабочего процесса двигателя на различных режимах его работы и процессов тепломассообмена в выпускном тракте. На основе этих моделей был разработан инженерный расчет конструктивных параметров элементов выпускной системы и нейтрализатора, а также выбора оптимального места расположения нейтрализатора в выпускной системе двигателя.
Процессы газообмена в двигателе оказывают существенное влияние на термодинамические параметры отработавших газов и, соответственно, тепловой режим работы нейтрализатора. Они значительно отличаются на режимах полных нагрузок и режимах холостого хода и близких к ним режимах малых нагрузок, то есть режимах глубокого дросселирования двигателя. Рассмотренные в этом разделе характерные особенности процессов газообмена на режимах глубокого дросселирования были учтены при доработке разработанной в ГНЦ РФ ФГУП НАМИ математической модели рабочего цикла двигателя.
В примененной методике расчета состояние рабочего тела рассматривается как открытая термодинамическая система, обменивающаяся массой и энергией с остальными системами двигателя. Это позволяет сформировать математическую модель рабочего цикла в виде подмоделей следующих процессов: 1) процессов газообмена (процессы выпуска, продувки и впуска); 2) процессов сжатия; 3) процессов сгорания – расширения.
Каждая из подмоделей включает следующие фундаментальные уравнения:
- уравнение материального баланса: 
- уравнение сохранения энергии: 
- уравнение состояния идеального газа: 
где m, mвп, mвып, общая масса рабочего тела и его массы, подводимые и отводимые через впускные и выпускные органы газообмена; u – внутренняя энергия рабочего тела; Qw – теплота, которой обменивается рабочее тело со стенками КС; hвп, hвып – удельные энтальпии потоков рабочего тела при входе в цилиндр и при выходе из него соответственно; R,Т, р,V – газовая постоянная, температура, давление, объем рабочего тела.
Расчет начинают с момента начала открытия выпускного клапана, для которого задаются температура и давление рабочего тела. Полученные параметры рабочего тела в цилиндре в конце процесса газообмена являются исходными данными для расчета последующих процессов сжатия и расширения. Заканчивается расчет, когда абсолютная величина давления в момент закрытия выпускного клапана, подсчитанная на предыдущем и последующем шагах окажется меньше заданной погрешности (1 %).
Период газообмена при перекрытии впускного и выпускного клапанов, режиме характерном для работы двигателя при городской эксплуатации автомобиля, характеризуется интенсивным обменом рабочего тела между рабочим пространством ДВС и полостями впуска и выпуска. Поэтому при описании этого процесса на режимах глубокого дросселирования должно быть учтено: 1) возвращение во впускную трубу части рабочего тела из цилиндра в период предварения открытия впускного клапана; 2) происходящее по мере возрастания разряжения в цилиндре на режимах глубокого дросселирования (холостой ход и близкие к ним малые нагрузки) прямое перетекание отработавших газов из выпускного тракта через цилиндр во впускной трубопровод; 3) возврат части инертного рабочего тела обратно в цилиндр в период впуска вместе со свежим зарядом смеси. Этот процесс ухудшает качество свежего заряда цилиндров и приводит к нестабильности процесса сгорания, неполному выгоранию топлива, а также к пропускам циклов сгорания. Последующее догорание топлива в нейтрализаторе снижает надежность и может полностью вывести его из строя.
С учетом перечисленных явлений при расчете необходимо в динамике (по углу поворота коленчатого вала ) отслеживать изменение массы рабочего тела в цилиндре двигателя. Для того, чтобы модель позволяла отображать текущую массу рабочего тела в начале расчета, на момент открытия выпускного клапана задаются средние его значения давления и температуры в цилиндре, во впускном и выпускном каналах.
Баланс массы в цилиндре при газообмене записывается следующими уравнениями: 
,
где Gа,in,Gf,in– парциальные расходы воздуха и топлива через впускной клапан;
Gа,out, Gf,out - парциальные расходы воздуха и топлива через выпускной клапан.
Связь между этими парциальными расходами и полными секундными расходами во впускных и выпускных органах в период продувки задается формулами: 
; 
; 
.
Как видно из приведенных уравнений, при определении парциального расхода i-ого компонента рабочего тела, выделяется две ситуации:
– происходит заброс i-ого компонента из выпускной трубы в цилиндр и далее во впускной тракт;
– происходит нормальное течение из впускного тракта, во время которого в цилиндр поступает свежая смесь, разбавленная отработавшими газами, заброшенными из цилиндра во впускную систему на предыдущем этапе.
Воспользовавшись приведенными уравнениями, запишем уравнение баланса энергии для процессов продувки и впуска в следующем виде:
,
а дифференциальное уравнение состояния рабочего тела в виде:
В качестве исходных данных при моделировании продувки используются параметры рабочего тела в момент открытия впускного клапана, а при моделировании впуска используются параметры рабочего тела в момент закрытия выпускного клапана.
Математическая модель процесса сгорания описывает интервал рабочего цикла, начало которого 
соответствует выгоранию 1 % топлива, а конец 
соответствует выгоранию 99,9 % топлива (по определению проф. И.И.Вибе).
Принимая во внимание, что расчет сгорания проводится при закрытых органах газораспределения, уравнение сохранения энергии, приведенное выше, принимает вид: 
или 
.
Процесс сгорания может быть описан на основе закона выгорания топлива (тепловыделения), определяемого по зависимостям профессора И.И.Вибе, согласно которой значения для каждого расчетного шага вычисляется согласно выражению: 
,
где z и m – продолжительность процесса сгорания и показатель характера сгорания соответственно; = /6n; = /6n.
С учетом особенностей протекания рабочего процесса на режимах работы двигателя на холостом ходу и малых нагрузках (режимы глубокого дросселирования) методика была скорректирована и дополнена расчетным блоком для определения параметров теплообмена между рабочим телом и стенками КС.
Анализ существующих методов расчета параметров рабочего тела на выпуске ДВС показывает, что исследования процессов теплообмена с учетом сложной конфигурации выпускных каналов связано с поисками методов решения уравнений нестационарного потока. Так как общее решение этих уравнений в настоящее время еще не найдено, в ряде работ используются различные приближенные методы решения задачи. С учетом того, что целевой задачей данного исследования являлось определение осредненной за период выпуска температуры ОГ в выпускном канале, изучение вопроса проводилось с использованием упрощенной методики, позволяющей достаточно достоверно определить усредненную величину данного параметра. Методика разработана с использованием известных положений закона сохранения энергии для открытой термодинамической системы.
Уровень температуры газа в выходном сечении зависит от количества тепла внесенного с газом через входное сечение, от тепла, отведенного через стенку выпускного трубопровода, от тепла, унесенного с газом через выходное сечение. Аналогично температура стенок трубы обуславливается теплотой, внесенной через входное сечение, теплотой, переданной конвекцией от газа, теплотой, отданной конвекцией и излучением окружающей среде и теплотой, унесенной потоком через выходное сечение.
Таким образом, зная параметры газа во входном сечении (для первого участка – это определенная на предыдущем этапе расчета температура ОГ на выходе выпускного канала), можно определить температуру ОГ в выходном сечении. Причем температура газа в выходном сечении данного участка является входным параметром для следующего участка. Температура стенок в начальный момент времени равна температуре окружающей среде. Влияние изгиба трубы на процесс теплопередачи может быть учтено с помощью соответствующего коэффициента.
Идентификация (корректировка принятых значений коэффициентов) и проверка достоверности расчетной методики проводились с использованием данных эксперимента (по показаниям малоинерционных термопар, установленных в проточном тракте ДВС). Применялись хромель-алюмелевые термопары с показателем тепловой инерции 0,5 секунд.
Для проведения расчетно-теоретических исследований, на базе рассмотренных выше методик, была написана программа расчета параметров рабочего тела в цилиндре двигателя и в выпускном канале на ПЭВМ.
Логическая последовательность проведения исследования совместного функционирования системы «двигатель - выпускной тракт» приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема логической последовательности проведения исследования совместного функционирования системы «двигатель – выпускной тракт».
Разработанная расчетная методика позволяет осуществить:
- рациональный выбор места расположения нейтрализатора в выпускном тракте двигателя;
- определить эффективность нейтрализатора с учетом особенностей, характерных для городских условий эксплуатации автомобиля, режимов глубокого дросселирования двигателя;
- предусмотреть при необходимости возможность снижения температуры теплоносителя поступающего в каталитический блок при критическом уровне его термонапряженности.
В третьей главе изложены методики проведения экспериментальных исследований каталитических нейтрализаторов в стендовых условиях на двигателе и в составе автомобиля массой до 3,5 т, оснащенного антитоксичной системой. Описано оборудование и средства измерений моторного стенда и стенда с беговыми барабанами.
Исследования проводились в ГНЦ РФ ФГУП НАМИ в боксе с беговыми барабанами фирмы «Цольнер» и в моторном боксе с динамометрическим стендом «VSETIN» (Чехия). На беговых барабанах испытания нейтрализаторов проводились в составе автомобиля по ездовым циклам Правил 83 ЕЭК ООН, а на моторном стенде - по специально разработанным методикам ускоренных испытаний и в соответствии с ГОСТ 14846 "Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний". В боксе с динамометрическим стендом проводились исследования рабочих параметров двигателя и испытания нейтрализаторов на экологическую эффективность, надежность, ресурс. Оборудование и измерительная аппаратура стендов обеспечивала точность измерений 3 – 5%.
Рис. 2. Стенд с беговыми барабанами и моторный стенд.
Четвертая глава диссертации посвящена результатам экспериментальных исследований выпускной системы двигателя и нейтрализаторов различных конструкций и типов блоков носителей катализаторов с разной загрузкой и соотношением драгметаллов отечественных и зарубежных производителей.
В начальном разделе приведены экспериментальные материалы по оценке достоверности разработанных методик расчета термодинамических параметров отработавших газов по мере их движения в выпускной системе, для чего было проведено термометрирование выпускного тракта двигателя (рисунок 3). Максимальное расхождение данных расчета и эксперимента описанного в четвертой главе не превышает 5%. В результате можно заключить, что использование предлагаемой методики расчета позволяет с достаточной степенью точности определять температуру ОГ по длине выпускного тракта.
Рис. 3. Сравнение результатов расчета с данными эксперимента изменения температуры ОГ.
Испытания нейтрализатора в составе автомобиля по ездовому циклу Правил 83.05 ЕЭК ООН (категория А) также подтвердили, что расхождение расчетных и экспериментальных исследований находится в пределах 5% (рисунке 4).
Рис. 4. Изменение температуры отработавших газов на входе в нейтрализатор при испытании автомобиля ВАЗ-2112 ездовому циклу Правил 83.05 ЕЭК ООН (категория А).
На следующем этапе были испытаны нейтрализаторы с традиционными керамическими и металлическими блоками, и новые типы на основе блоков из металлической проволоки и пенометалла.
Испытания на эффективность и ресурс нейтрализаторов проводились 100-часовым термоциклированием в соответствии с РД 37.001.609-98, а прочностные испытания – вибротермошоком в соответствии с РД 37.001.694-96. Для подтверждения экологической эффективности и работоспособности нейтрализаторов до и после моторных испытаний проводились испытания в составе автомобиля.
Основные характеристики ряда исследованных образцов каталитических нейтрализаторов и результаты их испытаний на контрольном автомобиле ВАЗ-2112 на беговых барабанах на соответствие требованиям Правил 83.05 ЕЭК ООН (категория А) (экологический класс 3) в состоянии поставки до и после испытаний термоциклированием и термовиброшоком приведены в таблице 1.
Таблица 1
| № п/п | Состав катализатора | Тип блока | Загрузка | Выбросы вредных веществ, г/км | ||||||
| СО | СН | NOx | ||||||||
| до старения | после старения | до старения | после старения | до старения | после старения | |||||
| 1 | Pd : Rh | металл | 30 г/фут3 | 0,345 | 1,373 | 0,14 | 0,308 | 0,083 | 0,163 | |
| 2 | Pd : Rh | металл | 30 г/фут3 | 0,77 | 1,252 | 0,203 | 0,237 | 0,108 | 0,164 | |
| 3 | Pt : Rh | керам. | 30 г/фут3 | 1,426 | 1,523 | 0,185 | 0,298 | 0,073 | 0,078 | |
| 4 | Pd : Rh | керам. | 35 г/фут3 | 1,04 | 1,18 | 0,116 | 0,188 | 0,125 | 0,156 | |
| 5 | Pt : Rh | керам. | 30 г/фут3 | 1,12 | 1,52 | 0,178 | 0,285 | 0,073 | 0,078 | |
| 6 | Pd : Rh | керам. | 40 г/фут3 | 0,861 | 1,697 | 0,126 | 0,171 | 0,098 | 0,167 | |
| 7 | Pt : Rh | проволока | 25 г/фут3 | 0,68 | 4,4225 | 0,191 | 0,931 | 0,141 | 1,433 | |
| Экологический класс 3 | 2,3 | 0,2 | 0,15 | |||||||
Испытания показали, что нейтрализаторы с проволочными блоками и на основе пенометалла на начальной стадии могут обеспечить выполнение нормативных требований экологического класса 3, но не обеспечивают выполнение требований по газодинамическому сопротивлению, надежности и ресурсу. Поэтому нейтрализаторы с металлическими и керамическими блоками носителями катализатора остаются наиболее распространенными и при оптимальных составах и загрузке металлов платиновой группы обеспечивают автомобилям выполнение действующих и перспективных требований Правил 83 ЕЭК ООН по токсичности и ресурсу.
Оптимизация состава и загрузки драгметаллов позволили снизить затраты на производство нейтрализаторов на 20% при гарантированном выполнении требований экологического класса 3 в процессе всего ресурса работы нейтрализатора. В таблице 2 приведены результаты испытаний новых нейтрализаторов в составе автомобиля семейства ВАЗ-2110 и составы исследованных катализаторов.
Таблица 2
| № № нейтрализаторов | Состав, загрузка и соотношение катализатора | Выбросы вредных веществ, г/км | ||
| СО | СН | NOx | ||
| 1 | Pt:Rh=5:1, 12г/фут3 | 2,387 | 0,389 | 0,195 |
| 2 | Pt:Rh=5:1, 25г/фут3 | 1,376 | 0,304 | 0,173 |
| 3 | Pt:Rh=5:1, 30г/фут3 | 1,426 | 0,185 | 0,073 |
| 4 | Pd:Rh=5:1, 12г/фут3 | 2,769 | 0,571 | 0,264 |
| 5 | Pd:Rh=5:1, 25г/фут3 | 2,37 | 0,291 | 0,232 |
| 6 | Pd:Rh=5:1, 30г/фут3 | 1,576 | 0,342 | 0,158 |
| 7 | Pd:Rh=5:1, 35г/фут3 | 1,37 | 0,263 | 0,147 |
| 8 | Pd:Rh=5:1, 40г/фут3 | 0,861 | 0,177 | 0,098 |
| 9 | Pd:Rh=9:1, 10г/фут3 | 1,952 | 0,23 | 0,313 |
| 10 | Pd:Rh=9:1, 30г/фут3 | 0,694 | 0,132 | 0,030 |
| Экологический класс 3 | 2,3 | 0,2 | 0,15 | |
В результате были разработаны нейтрализаторы с использованием катализаторов на основе палладия вместо более дорогой платины и уменьшено относительное содержание родия в катализаторе.
В пятой главе диссертационной работы представлены материалы по испытаниям двух новых типов нейтрализаторов для бензиновых двигателей автомобилей семейства ВАЗ-2110 и автомобилей классической компоновки семейства ВАЗ-2107 и их модификаций, которые были разработаны на основе представленных в диссертационной работе расчетно-аналитических методик и опираясь на опыт ранее проведенных исследований в НАМИ. Целью проведенных на данном этапе исследований было определение соответствия разработанных нейтрализаторов требованиям технических условий по эффективности, надежности, ресурсу и выполнения автомобилями ОАО «АвтоВАЗ» норм экологического класса 3.
С учетом особенностей работы в составе системы выпуска двигателя и установки его на автомобиле, на начальном этапе при проектировании новых нейтрализаторов были приняты следующие требования:
- Низкий уровень минимальных температур начала работы нейтрализатора (не более 250 0С).
- Обеспечение высокой степени конверсии вредных веществ на всех рабочих режимах работы двигателя.
- Механическая прочность и стойкость к отравлению малыми концентрациями свинца, серы, фосфора и других нежелательных веществ, присутствующих в отработавших газах двигателя.
- Термическая устойчивость к высоким температурам (900 - 11000С).
- Большая активная поверхность каталитических блоков на единицу массы.
- Минимальные габаритные размеры и вес.
- Минимальная стоимость при условии выполнения действующих нормативных требований на выброс вредных веществ автомобилем.
На следующем этапе работ необходимо было проверить соответствие новых нейтрализаторов требованиям Технических условий по надежности и ресурсу после технологического старения термоциклированием в соответствии с РД 37.001.609 – 98 и прочностных испытаний вибротермошоком в соответствии с РД 37.001.694-96.
Исследования на моторном стенде показали, что к концу испытаний после 100 часов термоциклирования снижение конверсии у нейтрализаторов с платинородиевым катализатором с загрузкой 30 г/фут3 и соотношением драгметаллов Pt : Rh 5:1 по оксиду углерода, углеводородам и оксиду азота не превышало 5%. Снижение конверсии у нейтрализаторов с палладиевородиевым катализатором, с более высокой загрузкой 40 г/фут3 и тем же соотношением драгметаллов Pd : Rh = 5:1 составило по оксиду углерода – 4 - 5%, по углеводородам – 3- 4% и по оксиду азота – 6- 8%.
Таким образом, испытания состаренных нейтрализаторов в составе автомобиля на беговых барабанах показали, что нейтрализаторы №№ 8 и 10 с катализаторами на основе палладия и родия с оптимизированными загрузкой и соотношением драгметаллов по абсолютным показателям обеспечивают автомобилям выполнение нормативных требований экологического класса 3 Технического регламента весь заданный техническими условиями ресурс работы.
В таблице 3 приведены результаты испытаний нейтрализаторов на автомобиле семейства ВАЗ-2110 до и после проведения моторных испытаний на надежность и ресурс.
Таблица 3
| состояние нейтрализаторов №№ нейтрализаторов | Выбросы вредных веществ г/км | |||||
| СО | СН | NOx | ||||
| до старения | после старения | до старения | после старения | до старения | после старения | |
| 3 | 1,426 | 1,523 | 0,185 | 0,198 | 0,073 | 0,078 |
| 8 | 0,861 | 1,697 | 0,177 | 0,181 | 0,098 | 0,117 |
| 10 | 0,694 | 0,941 | 0,132 | 0,160 | 0,030 | 0,062 |
| Экологический класс 3 | 2,3 | 0,2 | 0,15 | |||
Результаты этого цикла испытаний показали, что в разработанных образцах замена платины на дешевый палладий при условии увеличения загрузки палладия на 25% позволило сохранить необходимую эффективность работы нейтрализатора. При этом стоимость нейтрализатора на основе палладия снизилась на 20%.
Прочностные испытания нейтрализаторов вибротермошоком в соответствии с РД 37.001.694-96 показали, что технология изготовления нейтрализаторов и их каталитических блоков находится на современном уровне и обеспечивает выполнение всех требований Технических условий по надежности. В процессе 50-ти часового испытания термовиброшоком по РД 37.001.694-96 не зафиксировано разрушения или смещения блоков, нарушения герметичности или деформации корпусов нейтрализаторов.
Таким образом, разработанные образцы нейтрализаторов имеют пониженную себестоимость, обеспечивают выполнение нормативных требований экологического класса 3, и внедрены в производство на сборочных заводах ОАО «АвтоВАЗ».
В связи с тем, что с 1 января 2012 года в нашей стране для автомобилей массой до 3,5 т будет введен экологический класс 4, согласно постановлению Правительства РФ от 26 ноября 2009 года № 956, автором были проведены работы по исследованию и созданию нейтрализаторов отечественного производства, обеспечивающих выполнение перспективных нормативных требований, результаты которых представлены в пятой главе. В процессе этих работ необходимо было определить оптимальное место установки блока нейтрализатора в выпускной системе двигателя и местоположение датчика кислорода. То есть необходимо было из условий компоновки автомобиля определить минимально возможное удаление нейтрализатора от фланцев выпускной системы двигателя. Это позволяет максимально снизить время разогрева нейтрализатора, выхода на эффективный режим работы (light off) и исключить возможность его перегрева. Оптимизация местоположения датчика кислорода позволяет повысить степень конверсии вредных веществ нейтрализатором за счет уменьшения его «окна бифункциональности».
Основываясь на накопленном в НАМИ опыте работ по созданию систем нейтрализации отработавших газов бензиновых двигателей СНОГ, автором был проведен предварительный теоретический анализ с использованием расчетных комплекса исследовательских мероприятий и методов дальнейшего повышения эффективности работы нейтрализатора. Помимо эффективной работы каталитического слоя также важна рациональная организация движения потока газа и теплообмена внутри нейтрализатора в целом. Конфигурация выпускного коллектора и труб прямым образом определяет гидравлическое сопротивление выпускной системы. Потери энергии потока на вихреобразование и местные сопротивления увеличивают гидравлическое сопротивление, что нежелательно, так как возрастает противодавление на выпуске. Для повышения достоверности информации передаваемой кислородным датчиков в электронный блок управления необходима оптимизация его установки в потоке отработавших газов перед поступлением в нейтрализатор. Для улучшения конверсионных процессов необходимо равномерное распределение потока газов по фронтальному сечению каталитического блока нейтрализатора. В настоящее время для решения таких задач оптимизации широко используются системы автоматического проектирования (САПР), что значительно сокращает продолжительность исследовательских работ.
Исследование газо-аэродинамического состояния газовой среды в проточном тракте нейтрализаторов проводилось (с участием инж. Д.А.Иванова) в программной среде COSMOSFloWorks (рисунок 5). В качестве образцов для испытаний использовались трехмерные модели нейтрализаторов (в сборе с выпускным коллектором) и катколлекторов.
Для исследования СНОГ использовался программный комплекс, реализующий метод конечных объемов (МКО).
Граничные условия задавались следующими параметрами:
- для предварительного расчета в качестве рабочего газа используется воздух, массовый расход ОГ, выходящих из цилиндра, составляет 0,025 кг/сек (при 3000 мин-1);
- предполагаемая температура на входе в нейтрализатор равна 1093 К, ожидаемая температура на выходе принимается равной 893 К;
- давление на входе задается равным 105000 Па, на выходе – 103000Па;
- аэродинамическое сопротивление блока нейтрализатора не более 500 и 2200 Па при расходе воздуха 0,03 кг/сек и 0,08 кг/сек соответственно;
- в целях упрощения расчета процессы, происходящие внутри реактора, задаются как адиабатные.
Выпуск отработавших газов моделировался из 1, 2, 3 и 4 цилиндров двигателя внутреннего сгорания соответственно.
Рис. 5. Газодинамическое исследование каталитического нейтрализатора, прикрепленного к выпускному коллектору.
Аналогичные теоретические работы были проведены с катколлектором для выявления положительных и отрицательных сторон двух различных конструкций. На рисунке 6 показаны результаты газодинамического исследования катколлектора автомобилей ВАЗ.
Рис. 6. Газодинамическое исследование нейтрализатора, объединенного с выпускным коллектором (катколлектора).
Были проведены испытания рассмотренных выше образцов нейтрализаторов (рис. 7).
Рис. 7. Фотоиллюстрация испытаний перспективного нейтрализатора на моторном стенде.
Результаты проведенных испытаний каталитического нейтрализатора и катколлектора представлены на рисунке 8 (а и б).
а)
б)
Рис. 8. Результаты предварительных испытаний нейтрализаторов для автомобилей экологического класса 4.
В результате моделирования газодинамических процессов и проведения испытаний на моторном стенде были получены предварительные результаты по выбору места расположения кислородного датчика и распределению отработавших газов в каталитическом блоке.
Эффективность работы кислородного датчика достигается стабильностью показаний и быстродействием системы «датчик – ЭБУ». Под стабильностью показаний подразумевается незначительное отклонение состава ОГ в месте расположения датчика при заданном порядке работы цилиндров.
Быстродействие кислородного датчика обеспечивается высокими скоростями потоков ОГ в точке размещения датчика. В областях с малыми возмущениями потока изменение состава ОГ будет происходить медленно, что снизит быстродействие системы, и корректировка состава рабочей смеси будет происходить с задержкой.
По распределению потока ОГ внутри каталитического блока нейтрализатора можно судить об эффективности использования внутреннего объема.
По результатам газодинамического исследования можно сделать следующие выводы:
- в конструкции выпускного коллектора первого образца нет элементов с высокими местными сопротивлениями, но при этом присутствует вихреобразование (особенно ярко выражено при течении ОГ из 1-го и 4-го цилиндров).
- в конструкции катколлектора из местных сопротивлений присутствует 90-градусный поворот канала с расширением на участке примыкания выпускных патрубков 1-го и 4-го цилиндров с цилиндрическим корпусом катколлектора.
Работы по исследованию перспективных систем нейтрализации отработавших газов отечественного производства для автотранспортных средств экологического класса 4 продолжаются в ФГУП «НАМИ» и имеют положительные аспекты для создания серийных образцов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. На основе проведенных исследований процессов тепломассообмена во внутрицилиндровом пространстве и в проточном тракте выпускной системы современных бензиновых двигателей на режимах городского цикла движения легковых и грузопассажирских автомобилей категории М1 разработана комплексная методика расчета для определения рациональных места установки нейтрализатора в выпускной системе и его конструктивных параметров, которая включает:
- математическую модель и программу расчета параметров процессов тепломассообмена в бензиновом автомобильном двигателе с учетом особенностей газообмена, в частности, в период перекрытия впускных и выпускных клапанов, на режимах глубокого дросселирования и малых нагрузок;
- математическую модель и программу расчета параметров нестационарного теплообмена в проточном тракте выпускной системы двигателя с целью определения конструктивных параметров нейтрализатора и выбора оптимального его места расположения в выпускном трубопроводе.
Правильность принятой методологии расчета и адекватность разработанных математических моделей были подтверждены результатами экспериментальных исследований, расхождение данных расчета и эксперимента не превышало 5%.
2. Результаты сравнительных экспериментальных исследований зарубежных и отечественных нейтрализаторов показали, что керамические блоки носители катализатора остаются наиболее распространенными и при оптимальных составах и загрузке металлов платиновой группы обеспечивают автомобилям выполнение действующих и перспективных требований по токсичности и ресурсу.
3. Проведенные экспериментальные сравнительные исследования показали, что оптимизация состава и загрузки драгметаллами блока носителя нейтрализатора может снизить себестоимость нейтрализатора на 20% по сравнению с исходным составом при сохранении эффективности и ресурса работы нейтрализатора.
4. По результатам исследования разработаны два новых типа высокоэффективных нейтрализаторов, которые внедрены в производство на ОАО «АвтоВАЗ» и на сборочных заводах его партнеров.
5. Расчетные и экспериментальные исследования двигателя и газодинамических процессов в его выпускном тракте позволили разработать рекомендации для создания перспективных нейтрализаторов для автомобилей отечественного производства, наиболее близко расположенных к выпускному коллектору ДВС (в подкапотном пространстве автомобиля), обеспечивающих выполнение нормативных требований экологического класса 4.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих трудах:
- Папкин Б.А. Расчёт параметров отработавших газов на различных режимах работы двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Папкин Б.А., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А., Бурков В.И. / Сборник докладов 2-ого Международного автомобильного научного форума - Труды НАМИ - 2004. (Б.А. Папкин – 0.032 п.л.)
- Папкин Б.А. Моделирование процессов тепломассообмена в двигателе с принудительным воспламенением смеси с целью расчета параметров отработавших газов [Текст] / Папкин Б.А., Хрипач Н.А., Бурков В.И. / Сборник докладов научно-технической конференции «2-е Луканинские чтения. Пути решения энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе». – М.: Труды МАДИ (ГТУ) – 2005 – с. 59-61. (Б.А. Папкин – 0.067 п.л.)
- Папкин Б.А. Исследования влияния количества драгметаллов в нейтрализаторе на его эффективные показатели и ресурс [Текст] / Папкин Б.А., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А., Бурков В.И. / Материалы 49-ой Международной научно-технической конференции ААИ «Приорететы развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Секция 2. «Поршневые и газотурбинные двигатели» Часть 2. – М.: Труды МАМИ – 2005 – ISSN 5-94099-035-5 с. 6-9. (Б.А. Папкин – 0.063 п.л.)
- Папкин Б.А. Математическая модель и программа инженерного расчета каталитического нейтрализатора [Текст] / Папкин Б.А., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А., Бурков В.И. / Автомобили и двигатели: Сб. научн. трудов НАМИ. – 2005. – Вып. 233. с. 122 – 133. (Б.А. Папкин – 0.173 п.л.)
- Папкин Б.А. Исследование влияния количества драгметаллов в катализаторе на эффективные показатели и ресурс нейтрализаторов отработавших газов автомобильных двигателей [Текст] / Папкин Б.А., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. / Сборник документов и материалов второго международного симпозиума «Водородная энергетика будущего и металлы платиновой группы в странах СНГ» / Труды МИРЭА – 2005 – с. 147-152. (Б.А. Папкин – 0.122 п.л.)
- Papkin B. Assessment of Influence to reliability and tenure of employment automotive catalytic converter by variation contents of precious metals / Papkin B., Ipatov A., Kamenev V., Khripach N. / Proceedings of the 2nd International Conference PM – 2006/ Germany, Berlin – 2006 – p. 42 – 51. (Б.А. Папкин – 0.289 п.л.)
- Папкин Б.А. Конструктивное исполнение нейтрализатора отработавших газов и экологические показатели автомобиля [Текст] / Папкин Б.А., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А., Алешин С.В. /Автомобильная промышленность. – 2007 – № 1 – ISSN 0005-2337 – с. 21 – 22. (Б.А. Папкин – 0.056 п.л.)
- Папкин Б.А. Повышение эффективности системы нейтрализации отработавших газов автомобильных двигателей применением водородного реагента [Текст] / Папкин Б.А., Каменев В.Ф., Фомин В.М., Хрипач Н.А., Шустров Ф.А. / Автомобили, двигатели и их компоненты: Сб. науч. трудов НАМИ – 2008. – Вып. 239. – с. 148-154. (Б.А. Папкин – 0.081 п.л.)
