CC BY
84
Диагностика и ремонт
УДК 629.113.004.5 СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЯ ГАЗ - 3110 В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОГО ЦИКЛА
Т.Ю. Салова1, А.В. Боровиков2, Р.Т. Хакимов3, А.А. Сивов4
1 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (СПбГАУ)
196601, г. Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2 2,3,4Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики
(СПб ГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Разработана термодинамическая модель нейтрализации оксидов азота. Модель позволяет учитывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля. Проведенные расчеты показывают, что эффективность нейтрализации значительно возрастает при многократной рециркуляции отработанных газов и небольших значениях восстановителя.
Ключевые слова: бензиновый двигатель; режимы работы; оксид азота; городской и внегородской циклы; нейтрализация
ECREASE IN TOXICITY OF THE FULFILLED GASES OF THE CAR GAS - 3110 IN THE CONDITIONS OF GOROSKY OF THE CYCLE
T.Yu.Salova, A.V.Borovikov, R.T.Hakimov, A.A.Sivov St. -Petersburg state agrarian university (SPb SА U) 196601, Pushkin, Peterburgskoye Highway, 2 St.-Petersburg state university of service and economy (SPb SUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 The summary - The thermodynamic model of neutralization of oxides of nitrogen is developed. The model allows to consider features of operation of the petrol engine, characteristic for car service conditions. The carried-out calculations show that efficiency of neutralization considerably increases at repeated recirculation of exhaust gases and small values of a reducer.
Keywords: petrol engine; operating modes; nitrogen oxide; city and suburban cycles; neutralization
В условиях эксплуатации автомобильные бензиновые двигатели большую часть времени работают на неустановив-шихся режимах, поэтому для оценки токсичности выброса автомобилей применяются ездовые циклы: простой городской и внегородской. Неустановившиеся режимы разгонов автомобиля заменяются установившимися режимами испытаний на нагрузочном стенде, определяемые по методике, разработанной МАДИ-ТУ. Режимы принудительного холостого хода заменяются режимом холостого хода с повышенными оборотами коленчатого вала двигателя. Количество эквивалент-
ных режимов определяется исходя из анализа графика ездового цикла. Измерив концентрации вредных веществ в ОГ на эквивалентных режимах работы двигателя, оценивается уровень пробеговых выбросов автомобиля (рис. 1).
Таким образом, как показали исследования, выбросы токсичных компонентов на переходных режимах работы автомобиля - режимы разгонов по ездовому циклу, превышают в 2 ... 2, 5 раза значения этих компонентов на установившихся режимах. Снижение выбросов наиболее токсичного компонента отработавших газов (ОГ) - оксидов азота, воз-
можно применением систем очистки ОГ
- нейтрализаторов.
soo о 4oo
U
£ 5 3oo
: 4? 2oo
и
| ioo o
Малые
Средние
Высокие
CO CH Nox
Рисунок 1. Уровень пробеговых выбросов автомобиля ГАЗ 3110
Для оценки эффективности работы модуля - нейтрализатора оксидов азота ОГ разработана термодинамическая модель восстановления NOx, которая представляет собой решение задачи поиска экстремальной концентрации оксидов азота для состава реагентов системы DN(Y)
[N2, O2, H2O, СТ-, СТ2, КИ-, ^2-, NO,
NO2, C, CO, CO2, NH3], граф модели восстановления оксидов азота.
0,0769у6 + 0,25у7 + 0Д11у8 + 0Д765у9 +0,0667у12 +0Д25у13 <1,0007 уЗ + 0,4286у4 + 0,273у5 + 0,9231у6 + 0,75у7 <0,0027 у 2 + 0,571у4 +0,727у5 + 0,889у8 + 0,533у10 +0,696у11 <20,9993 у1 + 0,8235у9 + 0,4667у10 + 0,304у11 +0,9333у12+ 0,875у13 <77,9973
Для любого вектора - состояния системы, выполняется уравнение баланса масс
Е ау • У; = Ъг , (1)
№
где: У] - множества веществ, выраженные через элементы С, Н, О, К; Ъг - количество элементов С, Н, О, N в веществах, которое определяется величиной топливно-воздушной смеси для режимов городского цикла, имитирующих условия эксплуатации автомобилей.
Для составления материального баланса термодинамической системы D^(Y) п веществ Уь где] = {1 ... 13}, и т элементов Хг, где г = {1 ... 4} так, что любое ] вещество У] состоит только из г элементов X с учетом их стехиометрических коэффициентов (аг]). Материальный баланс представляется многоугольник, где ограничения устанавливаются по четырем элементам (рис. 2)
(2).
Система уравнений (2) решается линейным программированием симплекс методом с применением программы MS Excel, задавая последовательно значения целевой функции, как максимальный выход каждого из веществ Yj.
В результате расчета получен массив данных в виде множеств Yit позволяющий построить многоугольник материального баланса (рис. 2). Были также рассчитаны составы промежуточных множеств, расположенных на линиях - гранях многоугольника и линиях - хордах, соединяющих узлы многоугольника и его центр. Таким образом, на многоугольнике материального баланса веществ определен разрешимый уровень взаимопре-
вращений компонентов, составляющих систему DN(Y).
При моделировании и расчете используется условие выпуклости функции Гиббса на многоугольнике ограничений материального баланса, минимальное значение функции Гиббса соответствует равновесному состоянию системы. Задание исходного вектора состояния системы определяет начальные условия решения задачи, от которых зависит область термодинамической доступности.
Устойчивое равновесное состояние системы определяется исследованием изменения значений функции Гиббса Фг, которое рассматривается при неизменных внешних условиях - температуры, давле-
ния. Величина температуры ОГ определяется по результатам расчетов характеристик режимов городского цикла, имитирующих условия эксплуатации автомобилей. Для определения равновесного состояния системы, полученные результаты расчета поверхности функции Гиббса исследуются на существование экстремума. Построенная поверхность
функции Гиббса (рис.2) имеет локальные минимумы, например: Ф(23) = -346.104 Дж/кмоль {N0}; Ф@4) = -336*104
Дж/кмоль {N02}; Ф(г7) = -237*104
Дж/кмоль {02}. Каждому минимуму соответствует скорость убывания значения функции Гиббса или градиент функции Гиббса
^ = Ц>1, что определяет наиболее вероятное развитие процессов восстановления оксидов азота - (рг3 = 1,04, <рг7 = 1,01 (рис. 2, 3). Вероятность развития процесса в направлении множеств 23 и 27 отличается незначительно, то есть возможно развитие процесса в направлении множеств 27 и 23 . Соотношение концентраций множеств 27 и 23 определяет в конечном итоге время и эффективность процесса нейтрализации, для любого возможного исходного состояния 2к. Исходное состояние системы 2к расположено в области множеств 24 {N0^, 23 {N0} и определяется заданным значением концентрации NH3, то есть значением функции Гиббса Фк = -
308*104Дж/кмоль. Тогда равновесное состояние системы 2р смещается в направлении множества 27 и состав 2р следующий: N = 75%, 02 = 17,97%, С0 = 0,01%, С02 = 3,61, СН = 4,41%. Достижимость равновесного состояния определяется временем и условиями процесса нейтрализации.
Развитие процесса восстановления в направлении множеств {28}...{212} практически не имеет ограничения, поэтому возможно состояние локального равновесия, то есть смещение равновесного состояния 2р ^ ^1. Состав множества изменится, и в ОГ будет присутствовать остаточное количество оксидов азота равное, приблизительно 3,4 % от общего количества ОГ.
N02. 219 4
2А ~
-219.41
N0. -219,3
-219
-206
л 1 ги
-219,5
Рисунок 2. Изменение функции Гиббса (значения функции 104 Дж/моль) на многоугольнике материального баланса
18
16
14
12
>- 10 ■с
в
■с
8
6
4
2
0
-279
NN
N0
N02
N20
02
-----1----------------1
5 10
состав множеств, Ъ;/ 10
Рисунок 3. Значения градиента функции Г иббса для состояний системы — множеств с максимальным значением веществ
^Н}; {Ш},...,{02}
Таким образом, разработанная термодинамическая модель нейтрализации оксидов азота, показывает, что эффективность нейтрализации значительно возрастает при многократной рециркуляции ОГ и небольших значениях восстановителя. Предложенная модель нейтрализации оксидов азота ОГ позволяет учи-
0
тывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля.
Исследования двигателя ЗМЗ-
4062.10 проводились согласно ГОСТ 14846-81 с использованием обкаточнотормозного стенда BOSCH LPHY (рис. 4, 5). Методикой предусматривалось проведение исследований работы двигателя на режимах эквивалентных режимам ездового цикла ГОСТ Р 41.83 - 2004 с установленным нейтрализатором оксидов азота.
Таким образом, установлено, что в диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя (рис. 6-9) ЗМЗ -
4062.10 (от 4000 мин-1 до 5200 мин-1) значения концентрации оксидов азота в ОГ составляют 1000 ... 2500 ppm, что значительно превышает допустимые нормы. Установленные закономерности изменения концентрации оксидов азота в ОГ, показали, что необходимо исследовать процесс нейтрализации оксидов азота ОГ в зависимости от температуры ОГ (нагрузки двигателя), частоты вращения двигателя.
На режимах эквивалентных городскому и внегородскому циклов, имитирующих условия эксплуатации автомобилей, определены значения токсичности выбросов ОГ, по которым можно оценить действительную концентрацию, в том числе оксидов азота в ОГ при работе двигателя в режимах разгона (рис. 8, 9).
Значения концентрации оксидов азота, при эксплуатации автомобиля в городских условиях, составляют от 260 до 2100 ppm, в зависимости от режима движения и времени разгона, что в 2 - 2,5 раза больше, чем на установившихся режимах. Данная концентрация недопустима, велика и при эксплуатации автомобилей приводит к загрязнению окружающей среды и превышению существующих предельно допустимых норм выброса.
Так же, были даны рекомендации по эксплуатации модернизированного модуля нейтрализации оксидов азота ОГ.
Подача восстановителя осуществляется из расчета поддержания оптимальной скорости подачи (1 мг/мин) в восстановительную камеру. Нейтрализатор устанавливается не далее 500 мм от двигателя и эксплуатируется при температурах ОГ выше 400 0С, то есть подача восстановителя осуществляется автоматизировано по средством электромагнитного клапана
- дозатора 2W21. При достижении заданной температуры, термопара ТХК 008 подает сигнал к микропроцессорному измерителю - регулятору ТРМ - 1, который в свою очередь открывает электромагнитный клапан, вследствие чего происходит подача восстановителя в нейтрализатор оксидов азота ОГ.
12 10
Рисунок 4. Нейтрализатор оксидов азота
ОГ: 1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 -выходной патрубок; 4 - ребра жесткости; 5 -смесительная камера; 6 - корпус смесительной камеры; 7 - цилиндрический кольцевой канал; 8 - суживающееся сопло; 9 - кольцевое сечение; 10 - трубка подачи газа-восстановителя; 11 - трубка противодавления; 12 - электромагнитный клапан системы подачи
: 2000-2500 □ 1500-2000 □ 1000-1500 □ 500-1000 □ 0-500
500
000
500
L000
500
Рисунок 5 - Обкаточно-тормозной стенд
BOSCH LPHY: 1 - двигатель ЗМЗ - 4062, 2 -гидравлический нагрузочный стенд Bosch LPHY, 3 - ПК, 4 - измеритель - регулятор микропроцессорный, 5 - газоанализатор BOSCH ESA 3.250, 6 - нейтрализатор ОГ.
С 1800-2000 1600-1800 □ 1400-1600 □ 1200-1400
□ 1000-1200 □ 800-1000 600-B00 □ 400-600
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 I 0
Q.
х'
О
1200 □ 800-1001
тША
и
о
520
431
Pe, %
Рисунок 6. Зависимость выброса NOx от нагрузки и температуры ОГ, при п = 4000 мин-1
592
Pe, %
Рисунок 7. Зависимость выброса КОх от
нагрузки и температуры ОГ, при п = 5200
-1
мин
С 1200-1400 □ 1000-120^ □ 800-1000 □ 600-800
С 400-600 □ 200-400 П 0-200
Рисунок 9. Зависимость выбросов КОх от частоты вращения и развиваемого крутящего момента (городской цикл) частота вращения от 1700 мин-1 до 3000 мин-1 для двигателя ЗМЗ - 4062.10
0
□ 2000-2500 □ 1500-2000 □ 1000-1500 □ 500-1000 □ 0-5QI
Рисунок 9. Зависимость выброса КОх от частоты вращения и температуры отработавших газов (внегородской цикл), частота вращения от 1700 мин-1 до 3500 мин-1 для двигателя ЗМЗ - 4062.10
Резервуар для восстановителя смонтирован и прикреплен в подкапотном пространстве на стенке моторного отсека. Для защиты от температурных перепадов резервуар покрыт теплоизоляционным материалом «МавсоаЪ). Резервуар имеет емкость один литр, обеспечивает пробег автомобиля около 5000 км. Годовой экономический эффект от применения разработанного модуля нейтрализатора оксидов азота ОГ составляет 2570 рублей на один автомобиль. Срок окупаемости данного средства составит 2 года.
Разработанная термодинамическая модель нейтрализации оксидов азота по-
казывает, что эффективность нейтрализации значительно возрастает при многократной рециркуляции ОГ и небольших значениях восстановителя. Предложенная модель нейтрализации оксидов азота ОГ позволяет учитывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля.
Список литературы
1. Боровиков А.В., Салова Т.Ю., Сивов А.А. Методика исследования двигателя ЗМЗ - 406.2 на неустановившихся режимах работы / //Известия СПбГАУ. - 2011, № 23, С. 421-428.
2. Двигатель ЗМЗ 4062.10. Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту ОАО «Заволжский моторный завод». - Заволжье. 2002.
3. Оценка пробеговых выбросов автотранспортных средств в эксплуатации С.В. Шелмаков.: Москва 2000 г.
4. Салова Т.Ю., Корабельников С.К., Сивов А.А.
Токсичность отработавших газов на неустано-вившихся режимах работы автомобильных двигателей. Мат. 6-й научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственная техника». т.2 /Экологические аспекты производства продукции растениеводства, мобильной энергетики и сельскохозяйственных машин. СПб.:
СЗНИИМЭСХ, 2011 г.
5. Салова Т.Ю., Сивов А.А. Снижение токсичных выбросов автотранспортных двигателей //Известия международной академии аграрного образования. СПбГАУ. - 2011, №12, С.57 - 59
6. Салова Т.Ю., Громова Н.Ю. и др. Основы экологии. Аудит и экспертиза техники и технологии: Учебник для вузов. - СПб.: Лань, 2004. - 336 с.
1 Салова Тамара Юрьевна - доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой технологических энергосистем СПбГАУ, e-mail: [email protected];
2 Боровиков Александр Владимирович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автосервиса СПбГУСЭ, тел.: (812) 367-39-92, моб.: +7 921 448 59 52, E-mail: chair.avto@spbsseu. ru;
3 Хакимов Рамиль Тагирович - кандидат технических наук, доцент кафедры автосервиса СПбГУСЭ, тел.: (812) 367-39-92,моб.: +7 906 2622858, e-mail: [email protected];
4 Сивов Александр А. - аспирант кафедры автосервиса СПбГУСЭ, тел.: (812) 367-39-92, e-mail: mr. sivoff@gmail.
