Снижение токсичности и дымности ОГ дизелей

Для снижения токсичности и дымности ОГ дизелей используются:
•совершенствование процессов смесеобразования и сгорания;
•нейтрализация ОГ в системе выпуска;
•улучшение качества топлива (снижение содержания серы и ароматических углеводородов, специальные присадки, использование альте негативных топлив);
•уменьшение расхода углеводородного топлива.

Главные трудности которые сильно осложняют улучшение экологических показателей дизелей путем улучшения процессов смесеобразования и сгорания, связаны с тем, что мероприятия, способствующие уменьшению NOx, как правило, вызывают рост выброса частиц. С другой стороны, использование нейтрализаторов затруднено из-за наличия большого количества частиц сажи и кислорода (нейтрализация NOx) ОГ, а также их относительно невысокой температуры.

1. Совершенствование процессов смесеобразования.

Рис. 21 - Дымность и токсичность ОГ дизелей по внешней скоростной характеристике --- - разделенная камера сгорания; - - неразделенная камера сгорания

Чем меньше рабочий объём цилиндра, тем сложнее организовать качественное смесеобразование, поэтому максимальная температура цикла уменьшается, что приводит снижению выброса NOx, а выбросы: СО и СН возрастают. При увеличении степени сжатия в дизелях с неразделенной камерой во время сгорания образуется больше NOx, но меньше СО и СН. Увеличение степени сжатия при разделенных камерах уменьшает выброс NOx и увеличивает количество сажи в ОГ. Наибольшее дымление имеет место при полной нагрузке (α = 1,2...1,З) и малой частоте вращения, а также на режимах разгона дизелей с турбонаддувом.

На первых этапах ограничения токсичности и дымности ОГ дизелей и, в частности, при введении норм Евро I достаточно было реализовать относительно простые мероприятия по организации смесеобразования и сгорания, а также немного уменьшить угол опережения впрыскивания.

Практика показала, что выполнение норм на токсичность и дымность ОГ достигается тем легче, чем больше диаметр цилиндра дизеля. В то же время небольшие дизели для легковых автомобилей имели, как правило, разделенную камеру сгорания, которая в смысле токсичности и дымности ОГ обладает определенными преимуществами перед неразделенной камерой.

2. Впрыскивание и распыливание топлива.

Характеристики впрыскивания и распыливания топлива оказывают очень большое влияние на смесеобразование и сгорание топлива, а, следовательно, и на образование, и выброс токсических веществ.

Чтобы избежать повышенного выброса NOx и снизить шум, подачу топлива в начале впрыскивания (примерно в течение периода задержки воспламенения) желательно уменьшить. Радикальным в этом смысле решением может быть так называемое ступенчатое впрыскивание. С другой стороны, увеличение длительности впрыскивания и растянутый подачи вызывают повышенное сажеобразование и, как следствие этого, увеличение выброса частиц.

При подвпрыскивании в цилиндрдополнительно подается небольшое количество топлива, которое плохо распиливается и сгорает на линии расширения с образованием СО, СН и сажи.

После посадки иглы на седло пузырьки газа в подыгольном объеме расширяются в результате подогрева и вытесняют топливо в камеру сгорания, где создается локальное обогащение смеси, что приводит к увеличению выброса СН. Особенно эго может проявляться в дизелях с рой сгорания в поршне, у которых подыгольный объем Vxсоставляет 0,3…5 мм³. Влияние этого объема на содержание СН в ОГ иллюстрирует рис.22. В современных форсунках этот объем практически отсутствует.

Рис. 22 - Влияние подыгольного объма распылителя (Vи) на выброс СН (дизель с неразделенной камерой)

3. Управление углом опережения впрыскивания.

Угол опережения впрыскивания φ_{0 впр} обусловливает значительное изменение длительности периода задержки воспламенения θ₁ и доли топлива, впрыснутого за этот период, что сказывается на продолжительности диффузионного сгорания. Например, если θ₁ сокращается, то доля топлива, впрыснутого до начала быстрого сгорания ∆V_i становится меньше, а дымность ОГ (К) соответственно возрастает (рис.23).

Рис. 23 - Влияние угла опережения впрыскивания (φ_{0 впр}) на дымность дизеля с неразделенной камерой сгорания: - - без наддува; --- - с наддувом.

При уменьшении φ_{0 впр} в результате снижения температуры сгорания образование NOx значительно замедляется, но при этом топливная экономичность несколько ухудшается. Несмотря на это, современные дизели на ряде режимов работают с началом впрыскивания в ВМТ или даже на 1…3⁰ после ВМТ.

Электронное управление современными системами впрыскивания дает возможность широко использовать изменение угла опережения впрыскивания с целью существенного влияния на токсичность и дымность ОГ дизелей. Например, как отмечалось выше, при увеличении р_впр снижается выброс сажи, но возрастает выброс NOx и максимальное давление газов в цилиндре (р_z). Если же при увеличении р_впр несколько понизить φ_{0 впр}, то можно добиться заметного уменьшения выброса сажи при приемлемых значениях выброса NOx и величины р_z. На режимах прогрева целесообразно уменьшать для ускорения прогрева стартового и основного нейтрализаторов (см. 23).

4. Рециркуляция ОГ.

Рис. 24 - Выбросы NOx и сажи в зависимости от степени рециркуляции Rc: т = 2000 мин-1; среднее эффективное давление p_e = 0,2 МПа

Как и в двигателях с искровым зажиганием, рециркуляция ОГ используется в дизелях с цепью уменьшения выброса NOx (рис. 24).

Схема системы рециркуляции ОГ в дизеле показана на рис. 24.

При увеличении степени рециркуляции возрастает длительность задержки воспламенения и уменьшает скорость тепловыделения. Эти эффекты усиливаются при охлаждении рециркулирующих газов.

Поэтому целесообразно увеличивать опережение и давление впрыскивания. На полных нагрузках рециркуляция или отсутствует или минимальна, так как вызывает значительный рост выброса сажи и снижение мощности, поэтому она целесообразна на средних и малых нагрузках.

При испытаниях по 13-ти режимному тесту до 8...10% выброса NOx приходится на режим холостого хода. По этой причине, а также с целью снижения шума рециркуляция на холостом ходу достигает значительной величины (до 50%). В целом при испытаниях по 13-ти режимному тесту уменьшение выброса NOx при рециркуляции может составить 30...75%.

Рис.25 - Схема системы рециркуляции ОГ в дизеле:1 - электронный блок управления; 2- клапан рециркуляции; 3- нейтрализатор; 4 - измеритепь расхода воздуха

Охлаждение рециркулирующих газов приводит к уменьшению выброса и частиц при сопоставимых степенях рециркуляции. Этот эффект более значим при больших степенях рециркуляции.

5. Нейтрализация ОГ.

В настоящее время применение для дизелей получили лишь каталитические окислительные нейтрализаторы. Они достаточно широко используются для быстроходных дизелей легковых автомобилей и небольших грузовиков. Этому способствует то, что температура ОГ этих дизелей достаточна для окисления СН, СО, растворимых органических составляющих частиц и альдегидов, а с другой стороны, она недостаточна для образования большого количества сульфатов. При высоких температурах в нейтрализаторе сначала выходящий из цилиндров S0₂ окисляется до S0₃, а затем S0₃ реагирует с парами воды, органическими и неорганическими частицами, образуя сульфаты, которые существенно увеличивают количество частиц.

Так как дизель всегда работает на бедной смеси, дополнительной подачи воздуха в систему выпуска с окислительным нейтрализатором не требуется, но с другой стороны, наличие частиц в ОГ снижает долговечность нейтрализатора.

После обработки ОГ дизелей в каталитическом окислительном нейтрализаторе при температуре выше ЗО⁰С концентрация СО уменьшается на 85...90%, а СН - на 75... 80%.

6. Перспективные методы снижения токсичности ОГ и выброса частиц дизелями

Используемые сейчас методы оптимизации процессов смесеобразования и сгорания, а также рециркуляция ОГ и окислительные нейтрализаторы не всегда обеспечивают выполнения дизелями норм Евро III и тем более норм Евро IV (2005 г.). Поэтому ведутся интенсивные поиски новых способов снижения токсичности ОГ и выброса частиц дизелями.

Принципиально возможны два основных направления решения проблемы снижения выброса NOx и частиц:

Рис. 26 - Влияние нейтрализатора на выбросы СО, СН, NOx и частиц (испытания по тесту ECE+EUDC): А – без нейтрализатора; В – с основным нейтрализатором; С – с основным и стартовым нейтрализаторами: - - нормы Евро III; 1 – растворимые углеводороды; 2 – нерастворимые углеводороды

- уменьшение до нормативного значения количества NOx на выходе из цилиндра и снижение выброса частиц путем улавливания их в системе выпуска;

- уменьшение до нормативного значения частиц на выходе из цилиндра и нейтрализация NOx в системе выпуска.

1) Улучшение состава топлива и присадки.

Свойства дизтоплива оказывают заметное влияние на эмиссию токсичных веществ. Например, при испытаниях по соответствующим стандартам увеличение цетанового числа топлива уменьшает выброс NOx дизелями грузовых автомобиле, но приводит к увеличению выброса частиц высокооборотными дизелями легковых автомобилей.

2) Альтернативные топлива для дизелей.

Одним из перспективных заменителей дизтоплива может стать ДМЕ – диметилэфир (СН₃-ОН-СН₃). Его основные преимущества: бездымное сгорание, уменьшение выброса NOx и шума.

3) Использование газового топлива.

Перевод дизелей на газовое дизтопливо позволяет снизить токсичность и дымность ОГ при одновременном уменьшении затрат на топливо.

4) Нейтрализатор DENOX.

Для нейтрализации оксидов азота путем их восстановления в выпускной системе разрабатываются нейтрализаторы, получившие название DENOX или селективных.

5) Фильтры для частиц.

Очистить ОГ от частиц с помощью соответствующих фильтров (ловушек) можно сравнительно легко. Однако фильтры при этом быстро забиваются, а противодавление на выпуске сильно возрастает. Разрабатываются фильтры двух основных типов: с навивкой с навивкой керамической нити в несколько слоев на перфорированные стальные трубки и монолитный керамический.

Список литературы

1. Нормативное обеспечение экологической безопасности автомобильного транспорта: Учеб.пособие для вузов / Под ред.:Максимова В.А.и Сарбаева В.И.;Моск.автомоб.-дорож.ин-т (Гос.техн.ун-т). - М., 2004. - 234с. - Библиогр.:с.211-215. - Прил.:с.218-231. - 290.00. Сигла хранения Ф1-3.

2. Луканин В.Н. Промышленно-транспортная экология: Учеб.для вузов. - М.: Высшая школа, 2001. - 295с.: ил. - Библиогр.:с.264-266. - ISBN 5-06-003957-9(в пер.): 51.00. Сигла хранения Ф1-2(28).

3. Трофименко Ю.В. Экология:Транспортное сооружение и окружающая среда: Учеб.пособие для вузов / Под ред.Ю.В.Трофименко. - М.: Академия, 2006. - 392,[2]с.,[8]л.ил.: ил. - (Высшее профессиональное образование, Защита окружающей среды). - Библиогр.:с.387-388. - ISBN 5-7695-2419-7(в пер.): 266.64. Сигла хранения Ф1-2, Ф6-2.

4. Фролов Ю.Н. Техническая эксплуатация и экологическая безопасность автомобильного транспорта: Учеб.пособие для вузов / Моск.автомоб.-дорож.ин-т (Гос.техн.ун-т). - М., 2001. - 135с. - Библиогр.:с.132-133. - Прил.:с.118-131. - 150.00. Сигла хранения Ф1-2.

5. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учеб.пособие для вузов / Владимир.гос.ун-т. - 2-е изд.,испр.и доп. - М.: Академический проект, 2004. - 398,[1]с.: ил. - (Gaudeamus). - Библиогр.:с.393-395. - Прил.:с.322-392. - ISBN 5-8291-0387-7(в пер.): 138.00. - 181.53. Сигла хранения Ф1-2, Ф6-2.

6. ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния».

7. ГОСТ Р 52160-2003 «Автотранспортные средства, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния».

8. ГОСТ Р 17.2.02.06-99 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах газобаллонных автомобилей». Методика проведения измерений. Применяемое оборудование, его классификация и характеристика, конструктивные и технологические особенности.

9. Нормативное обеспечение экологической безопасности автомобильного транспорта: Учеб.пособие для вузов / Под ред.:Максимова В.А.и Сарбаева В.И.;Моск.автомоб.-дорож.ин-т (Гос.техн.ун-т). - М., 2004. - 234с. - Библиогр.:с.211-215. - Прил.:с.218-231. - 290.00. Сигла хранения Ф1-3.

10. Луканин В.Н. Промышленно-транспортная экология: Учеб.для вузов. - М.: Высшая школа, 2001. - 295с.: ил. - Библиогр.:с.264-266. - ISBN 5-06-003957-9(в пер.): 51.00. Сигла хранения Ф1-2(28).

11. Трофименко Ю.В. Экология:Транспортное сооружение и окружающая среда: Учеб.пособие для вузов / Под ред.Ю.В.Трофименко. - М.: Академия, 2006. - 392,[2]с.,[8]л.ил.: ил. - (Высшее профессиональное образование, Защита окружающей среды). - Библиогр.:с.387-388. - ISBN 5-7695-2419-7(в пер.): 266.64. Сигла хранения Ф1-2, Ф6-2.

12. Фролов Ю.Н. Техническая эксплуатация и экологическая безопасность автомобильного транспорта: Учеб.пособие для вузов / Моск.автомоб.-дорож.ин-т (Гос.техн.ун-т). - М., 2001. - 135с. - Библиогр.:с.132-133. - Прил.:с.118-131. - 150.00. Сигла хранения Ф1-2.

13. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учеб.пособие для вузов / Владимир.гос.ун-т. - 2-е изд.,испр.и доп. - М.: Академический проект, 2004. - 398,[1]с.: ил. - (Gaudeamus). - Библиогр.:с.393-395. - Прил.:с.322-392. - ISBN 5-8291-0387-7(в пер.): 138.00. - 181.53. Сигла хранения Ф1-2, Ф6-2.

14. ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния».

15. ГОСТ Р 52160-2003 «Автотранспортные средства, оснащенные двигателями с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния».

16. ГОСТ Р 17.2.02.06-99 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах газобаллонных автомобилей». Методика проведения измерений. Применяемое оборудование, его классификация и характеристика, конструктивные и технологические особенности.

Содержание

1. Введение. Понятие о промышленно-транспортной экологии. Основные понятия, термины, определения.
2. Влияние промышленности и транспорта на окружающую среду. Взаимодействие тепловой машины с внешней средой.
3. Понятие о горении углеводородных топлив. Материальные балансы. Механизмы горения.
4. Характеристика вредных веществ в отработавших газах автотракторных двигателей, их воздействие на окружающую среду и организм человека.
5. Механизмы образования вредных веществ при горении топлив в ДВС.
6. Методы оценки количества вредных веществ в отработавших газах ДВС и в воздухе вблизи автомагистралей.
7. Экологические характеристики двигателей. Влияние режимных, конструктивных факторов и технического состояния ДВС на концентрацию в ОГ вредных веществ.
8. Нормирование токсичности ОГ двигателей с искровым зажиганием
9. Нормирование токсичности и дымности ОГ дизелей
10. Физико-химические процессы, используемые в процессах очистки газовых потоков, основные понятия.
11. Снижение токсичности ОГ двигателей с искровым зажиганием
12. Снижение токсичности и дымности ОГ дизелей
13. Список литературы

[1] Небел Б. Наука об окружающей среде: как устроен мир.: В2 т. – М.: Мир, 1993

[2] Серов Г.П. Экологическая безопасность населения и территорий Российской Федерации (Правовые основы, экологическое страхование и экологический аудит). – М.: Издательский центр Аккил, 1998.

[3] Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. – М.: Высшая школа, 1980

[4] Хейвуд Р.У. Термодинамика неравновесных процессов. – М.: Мир, 1983

[5] Звонов В.А. Образование загрязнений в процессах сгорания. – Луганск: Изд-во Восточноукраинского государственного университета, 1998

[6] Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов. /Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др. Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высшая школа, 1995

[7] Звонов В.А. Образование загрязнений в процессах сгорания. – Луганск: Изд-во Восточноукраинского государственного университета, 1998

[8] Звонов В.А. Образование загрязнений в процессах сгорания. – Луганск: Изд-во Восточноукраинского государственного университета, 1998

[9] Дытнерский Ю.И. процессы и аппараты химической технологии: В 2-х кн.: Кн.1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты.2-е изд. – М.: Химия, 1995. Кн.2. Массообменные процессы и аппараты. – М.: Химия, 1995

[10] Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени. Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. – М.: Машиностроение, 1981

[11] Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени. Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. – М.: Машиностроение, 1981

[12] Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени. Пер. с англ./Ред. Н.А. Чигир. – М.: Машиностроение, 1981

Дата добавления: 2014-01-13