авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

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

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Шарипов Руслан Раисович

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: D212.298.09@mail.ru

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.

  Принципиальная схема-32

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.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.