CC BY
55
5. Кондрашкин С.И., Константинов С.П., Семенов В.И. Принципы построения математических моделей динамики движения автомобиля // Автомобильная промышленность. 1979. №7 с. 24-27
6. Яуфман А.Ф. Снижение уровня крутильных колебаний в трансмиссии легкового автомобиля. Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.05.03. - М.: МАДИ, 1983. - 20 с.
7. Шупляков В.С. Колебания и нагруженность трансмиссии автомобиля. - М.: Транспорт, 1974. - 328 с.
8. Автомобили КамАЗ. Практическое руководство / Под ред. Е.А. Машкова. -М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.
9. Стефанович Ю.Г., Москалев В.Н., Лунев И.С. Определение крутильных колебаний в трансмиссии автомобиля ГАЗ-51 // Автомобильная промышленность. 1960. №10 с.10-12
10. Яценко Н.Н. Колебания, прочность и форсирование испытания грузовых автомобилей. М.: Машиностроение,1972. - 368 с.
11. Яценко Н. Н., Шупляков В. С. Нагруженность трансмиссии автомобиля и ровность дороги. М.: Транспорт, 1967. - 164 с.
12. Мышкис А. Д. Лекции по высшей математике. Издание третье. - М.: Наука, 1969. - 640 с.
УДК 621.436:504
Каграманян А.О., к.т.н., доцент (УкрДАЗТ) РукавШников П.В., шженер (УкрДАЗТ)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ОСНОВНИХ ФАКТОР1В ЕКСПЛУАТАЦП ДИЗЕЛ1В ТЕПЛОВОЗ1В НА ВИКИДИ ЗАБРУДНЮЮЧИХ РЕЧОВИН
Вступ. Залiзничний транспорт Укра1ни е одшею з ключових галузей 11 економши. На його долю приходиться 82,7 % вантажообороту та 42,5 % пасажирообороту. Значну частину перевiзного процесу на залiзничному транспорт Украши виконуе його тепловозний парк. Тепловозною тягою виконуеться перевезення вантажiв та пасажирiв, маневрова та вивiзна роботи на станщях та тд'1'зних колiях промислового транспорту. Щорiчно тепловозний рухомий склад використовуе до 330 тис.т дизельного палива i як наслщок викидае в атмосферу 24,75 тис.т оксидiв азоту (КОх), 16,5 тис.т оксиду вуглецю (СО) та 6,27 тис.т вуглеводшв (СтНп).
Тому задача полшшення еколопчних показниюв тепловозних дизелiв, якi знаходяться в експлуатаци на тдприемствах з^зничного транспорту для Украши е актуальною.
Постановка проблеми. У цей час еколопчш показники силових установок тепловозiв вважаються однiею з найважливiших характеристик 1х технiчного стану. Пiсля вступу Украши до св^ово! оргашзаци торпвл^ вимоги до екологiчних показникiв тепловозiв, якi знаходяться в експлуатаци на тдприемствах Укрзалiзницi, стали бiльш жорстокими.
З метою ощнки рiвня викидiв забруднюючих речовин (ЗР) та залежшсть 1х вiд рiзних факторiв необхщно систематизувати данi по викидам ЗР локомотивними енергетичними установками в умовах експлуатаци та розглянути вплив рiзних факторiв на утворення ЗР у цилшдрах тепловозних дизелiв.
Основний матерiал до^дження. З 1994 року зпдно [1], який поширюеться на тепловознi дизелi, як знаходяться в експлуатаци, в Укрш'т встановленi питомi норми викидiв ЗР в атмосферу з вщпрацьованими газами (ВГ), а саме оксидiв азоту, оксиду вуглецю i вуглеводнiв.
Зпдно галузевого стандарту [1] величини середньоексплуатацшних питомих викидiв ЗР з ВГ тепловозних дизелiв не повиннi перевищувати значень, вказаних у таблицi 1.
Таблиця 1 - Норми викидiв забруднюючих речовин
Назва забруднюючо! речовини Норми викидiв, г/кВт-год
дизель у експлуатаци до 2-х роюв дизель у експлуатаци бiльш 2-х роюв
Оксиди азоту 18 18
Оксид вуглецю 10 12
Вуглеводш 4 4,5
Контроль за цими показниками проводиться у локомотивних депо на пункт реостатних випробувань, шсля проведення ПР-2, ПР-3 та у випадку необхщност пiсля ПР-1 (замша паливного насоса високого тиску, турбокомпресора), а також на тепловозоремонтних заводах, шсля КР-1, КР-2 [2].
На цей час на пiдприемствах локомотивного господарства Укрзалiзницi екологiчнi пункти контролю викидiв ЗР вiд тепловозних дизелiв дiють у локомотивних депо станци Волноваха та станци
Слов'янськ Донецько! зашзнищ, станци Христинiвка Одесько! залiзницi, станци Дншропетровськ Придншровсько1 залiзницi та станци Дарниця Швденно-Захщно! залiзницi.
Як вiдомо, токсичшсть викидiв ЗР вiд тепловозних дизелiв обумовлена перш за все яюстю палива та процесом згоряння [3, 4].
На процеси сумшоутворення й згоряння паливоповггряно! сумiшi в тепловозних дизелях, а отже, на утворення i викиди шюдливих речовин впливають конструктивна досконалiсть дизеля, досконалiсть ремонтних впливiв, експлуатацiйнi фактори, зовнiшнi й внутршш параметри дизеля.
До експлуатацшних факторiв звичайно вiдносять режими роботи дизеля, склад i якiсть застосовуваного палива, яюсть застосовуваного масла i його витрата на угар, технiчний стан дизеля й параметри навколишнього середовища. До зовнiшнiх параметрiв дизеля, як регулюються, вiдносять частоту обертання колшчатого вала, температуру й тиск наддувочного повггря, кут випередження подачi палива, iнтенсивнiсть рециркуляци ВГ. До внутршшх вiдносяться параметри, що не шддаються безпосередньому регулюванню, наприклад: яюсть розпилювання палива; нерiвномiрнiсть розподiлу палива за обсягом камери згоряння; розмiри локальних зон, у яких вщбуваеться самозапалювання палива; частка палива, що попадае на стшку камери згоряння; утворення угару й iншi [5].
Суттевий вплив на токсичшсть ВГ, виявляе швидюсний режим роботи дизеля, який характеризуеться частотою обертання колшчатого вала дизеля, причому його вплив е досить складним. Це обумовлене впливом рiзних факторiв, що шдсилюють або зменшують утворення токсичних компоненлв у тому або шшому дiапазонi частот обертання. Так, зi збшьшенням частоти обертання зменшуеться час, що придшяеться на процес згоряння. У результат тепловiддача в стiнки камери згоряння зменшуеться, що приводить до збшьшення максимальних температур циклу й, як наслщок, до збiльшення емюи оксидiв азоту КОх. З шшого боку, при збiльшеннi частоти обертання зростають турбулiзацiя повiтряного заряду й тиск упорскування палива, що призводить до полшшення умов сумшоутворення - паливо бiльш рiвномiрно розподiляеться по об'ему камери згоряння, зменшуються локальш зони з низькими коефiцiентами надлишку повiтря й високими температурами згоряння, у яких вщбуваеться iнтенсивне утворення оксидiв азоту КОх.
Аналiз випробувань дизелiв тепловозiв на пунктах еколопчного контролю Слов'янськ, Дарниця, Христинiвка показав, що змша частоти обертання колшчатого вала дизеля впливае на змют оксидiв азоту КОх. у
ВГ, i меншою мiрою - на концентращю оксиду вуглецю СО i сажi. У той же час при збшьшенш частоти обертання колшчатого вала дизеля спостерiгаеться значний рют змiсту в ВГ, дизелiв бенз(а)пирена, через погiршення умов догорання промiжних продуктiв реакци окислення вуглеводного палива. Залежнiсть основних ЗР вiд числа оборотв колiнчатого валу за тепловозною характеристикою для дизелiв 2В-5Д49 та КбБЗЮБЯ приведена на рисунках 1, 2.
Рисунок 1 - Концентращя Ссо та СмОх при робот за тепловозною характеристикою дизеля 2В-5Д49
Рисунок 2 - Концентращя ССО та СмОх при робот за тепловозною характеристикою дизеля КбБЗЮОЯ
Значний вплив на токсичнють ВГ, оказуе навантаження на дизель. У мiру збшьшення навантаження збшьшуеться кiлькiсть подаваного в цилiндри дизеля палива, тобто зменшуеться коефщент надлишку повiтря й пiдвищуеться температура згоряння. У результат збiльшуеться димнiсть ВГ, i емiсiя оксидiв азоту й вуглецю.
За результатами дослiдженьна рисунках 3-6 наведен гiстограми завантаження силових установок дизелiв де наданi вщносш витрати палива (Ое, %) та час роботи (т, %) в експлуатаци по позицiях контролера машишста.
% Се, % 50
45 40 35 30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
№, ПКМ
□т,% Шве, %
Рисунок 3 - Розподл вщносного часу роботи й витрати дизельного палива по позищях контролера машишста тепловоза 2ТЕ116 у вантажному руш (вага 5400 т.)
Розглянутi залежност токсичностi ВГ, вiд швидкiсного й навантажувального режимiв роботи дизеля вщповщають режимам роботи, що встановилися. У реальних умовах експлуатацii тепловознi дизелi до 20 % часу працюють на несталих режимах. У зв'язку iз цим доцiльно розглянути особливост утворювання токсичних компонентiв на цих режимах.
Т, Ge, %45
№, ПКМ
□ т, % ■ Ge, %
Рисунок 4 - Розподл вщносного часу роботи й витрати дизельного палива по позищях контролера машишста тепловоза 2ТЕ116 у вантажному pyci (вага 1730 т)
Т, Ge, % 70
60
50
40
30
20
10
0
012345678
№, ПКМ
□ т, % BGe, %
Рисунок 5 - Розпод1л в1дносного часу роботи й витрати дизельного палива по позищях контролера машишста тепловоза ЧМЕ3 у вантажному рус1
(вив1зний режим роботи)
тДД
50 40
30
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
№, ПКМ
□т, % ИСе,%
Рисунок 6 - Розподл вщносного часу роботи й витрати дизельного палива по позищях контролера машинюта тепловоза М62 (вага 655 т.)
Найбшьша р1зниця концентрацш оксид1в азоту N0 на несталих режимах 1 режимах роботи, що встановилися, спостершаеться при розгош дизеля з режиму мшмально! частоти обертання до номшального режиму. Ем1Ыя оксид1в азоту N0 виявляеться нижче на несталих режимах, що обумовлене бшьш низькими температурами стшок камери згоряння при розгош дизеля. Викиди вуглеводшв СтНп, навпаки, вище на несталих режимах, що обумовлене наявшстю в камер1 згоряння холодних пристшних шар1в, у яких вщбуваеться штенсивне утворення незгорших вуглеводшв СтНп.
Р1зниця м1ж концентращями оксиду вуглецю СО на несталих режимах { режимах, що встановилися, менше, чим для концентрацп вуглеводшв СтНп.
Так само як { у випадку з концентращями оксиду вуглецю СО, найбшьша димшсть ВГ, спостершаеться на несталих режимах з1 зниженою частотою обертання, що викликане шерцшшстю системи турбонаддува.
На несталих режимах роботи спостершаеться шдвищений (в 2-3 рази) змют у ВГ, продуклв неповного згоряння палива (С, СО, СтНп ).
Концентращя оксидiв азоту КОх виявляеться на 10-15 % нижче (у порiвняннi з подiбними режимами, що встановилися)[6].
Значний вплив на викиди ЗР мае процес наддування. Внаслiдок цього вщбуваеться пiдвищення максимально! температури процесу приблизно на 100 °С, до Ре = 0,5 МПа коефщент надлишку повiтря трохи знижуеться, а при Ре > 0,5 МПа - зростае. Змют оки^в азоту у всьому дiапазонi навантажень збшьшуеться, а продуктiв неповного згоряння тшьки на режимах малих навантажень. Частота обертання двигуна впливае на утворення окису вуглецю, тому що з И зменшенням знижуеться штенсившсть сумшоутворення. Те ж вщбуваеться й з викидами сажi й вуглеводнiв. Питома токсичшсть, зростае в 2 - 3 рази за рахунок росту концентрацш N0 [7].
З точки зору впливу способу сумшоутворення, у двигунах, що працюють по М - процесу, при малих Ре сажа практично вщсутня через рiвний розподш палива в камерi згоряння. Зi збiльшенням Ре ця рiвномiрнiсть зменшуеться, бiльшi краплi прохолоджують полум'я, знижуеться швидкiсть вигоряння вуглецю. Димшсть зростае, але однаково нижче, шж у ДВЗ iз об'емним сумшоутворенням. При плiвковому сумiшоутвореннi знижуеться змют СО, особливо при бiльших Ре - через вiдсутнiсть крапель палива, зменшенш кiлькостi палива, яке бере участь у запаленш заряду. При малих Ре кiлькiсть СО зростае штенсившше, нiж ДВЗ iз об'емним сумшоутворенням, через погiршення умов догорання СО. Внаслщок кращого доступу кисню до молекул, що окисляються, змют вуглеводшв в ВГ знижуеться в 2-3 рази. Канцерогенш речовини у вихлош не обмежуються. При зростанш частоти обертання викид сажi збшьшуеться.
На споЫб заповнення цилiндрiв робочою сумшшю оказуе вплив тактностi. Процес згоряння у двотактних в порiвняннi iз чотиритактними двигунами характеризуеться бшьшим коефiцiентом залишкових газiв у камерах згоряння, особливо на бшьших навантаженнях, шдвищеною температурою згоряння, меншим часом протшання процесу. При бiльших Ре концентрацil СО, СН вище у двотактних дизелiв. Змiст КОх на вЫх режимах нижче, не перевищуе 2,6 г/м . Це пояснюеться тим, що визначальним фактором на вихщ КОх е не максимальна температура циклу, а локальш концентраци кисню, якi менше через прше очищення цилiндра.
Наряду з тактностю двигуна важливий вплив на викиди ЗР оказуе форма камери згоряння. Методом зниження токсичност е подш камери згоряння, тому що обмежуються початковi швидкостi тепловидiлення,
знижуються максимальш температура й тиск циклу. У nopiB^Hm з нероздшеною камерою у ДВЗ i3 poздiленoю poзмipи ochobhoï камери у вихорокамерному двигуш на 30-35 % менше, у передкамерного на 25-30 % менше, у фopкамеpi у вихрового на 15-18 % i в передкамерного на 20 %. Таким чином для меншого викиду NOx при найменшiй темпеpатуpi циклу переважшше ДВЗ i3 poздiленими камерами, зокрема вихорокамерш.
В фopкамеpi а < 1 i утворення NOx гальмуеться недoлiкoм кисню. В основнш камеpi кисню досить, але процес ще при пoстiйнo зростаючому oбсязi й характеризуеться зниженням температури. Гарне сумшоутворення, повнота згоряння палива спричиняються малi викиди СО, СН, С.
Аналiз впливу ступеня стиску показав, що надмipне збiльшення ступеня стиску приводить до небажаного збшьшення тиску наприкшщ стиску, до бiльшиx навантажень на кривошипно-шатунний меxанiзм i в шдсумку до обваження двигуна й до зниження ефективного ККД. Для 4-х тактного вихрового дизеля концентращя NОx при збшьшенш ступеня стиску в 1,5 рази збшьшуеться в 3,5 рази на холостому ходу, в 1,4 при 50 % Ре й в 1,5 рази на номшальному режимг Велике збшьшення NОx на холостому ходу пояснюеться бшьшою кшьюстю палива, що згоряе у вихровш камеpi й пiдвищенню температури циклу. Окис вуглецю при цьому знижуеться в 2 - 2,5 pазiв.
Один з головних впливiв на викиди токсичних компонентв виявляють моторш якoстi палива - цетанове число i випаровувашсть (фpакцiйний склад), змют у паливi ароматичних вуглевoднiв (зокрема , ПАУ) i Ырки, елементний склад палива (сшввщношення змiсту Н/С и О/С), наявшсть присадок у паливi [8].
Вплив цетанового числа палива обумовлена тим, що воно визначае тpивалiсть пеpioду затримки запалення, увесь характер пpoтiкання процесу згоряння й впливае на емiсiю вшх нормативних токсичних кoмпoнентiв ВГ.
3i зменшенням цетанового числа зростае перюд затримки самозапалювання й кшьюсть палива, пiдгoтoвленoгo до одночасного самозапалювання. З'являються лoкальнi зони з багатою паливoпoвiтpянoю сумiшшю з малими значеннями коефщента надлишку пoвiтpя. Висoкi температури в зонах камери згоряння з низьким коефщентом надлишку пов^я при робот на паливах зi зниженим цетановим числом визначають тдвищену емiсiю oксидiв азоту NОx.
Зниження змюту сipки в паливi вiд 0,3 до 0,2 % супроводжуеться зменшенням емiсiï часток сажi приблизно на 10 %. Паливо з високим
цетановим числом { нульовим змютом Ырки й ароматичних вуглеводшв дозволяе знизити емшю часток на 50 % у пор1внянш з еталонним.
Обмеження викид1в забруднюючих речовин здшснюеться, як правило, оптим1защею зовтштх параметр1в керування сумшоутворенням. На р1вень викид1в ЗР впливае точшсть регулювання, яка при мехашчних системах паливоподач1 мае розкид до 30 %.
Рециркулящя ВГ у якост ефективного заходу для зниження викид1в оксид1в азоту КОх також вимагае, по можливост1, точност регулювання й зниження допусюв для обмеження емюп вуглеводшв СтНп { часток сажг Таким чином, оптим1защею параметр1в регулювання можна суттево обмежити викиди ЗР.
Висновки. В статл розглянут основш фактори, як впливають на кшьюсний { яюсний склад викид1в ЗР вщ тепловозних дизел1в.
Основними шляхами зменшення забруднення атмосферного повггря вщ впливу розглянутих фактор1в е:
- оптим1защя робочого процесу;
- конструктивне вдосконалення ДВЗ;
- полшшення якост палива та запровадження альтернативних палив;
- рециркулящя та нейтрал1защя ЗР;
- вдосконалення регулювання систем двигуна.
Список лтератури
1. ГСТУ 32.001 - 94 „Викиди забруднюючих речовин з вщпрацьованими газами тепловозних дизел1в. Норми та методи визначення". Введений в д1ю Наказом Мшютерства транспорту Украши вщ 06.10.1994р № 524.
2. ВНД 32.0.06.001 - 99 „Пункти еколопчного контролю викид1в забруднюючих речовин вщ тепловозних дизел1в. Загальш техшчш вимоги". Введений в д1ю Наказом Мшютерства транспорту Украши вщ 22.07.1999р № 381.
3. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. Л., Машиностроение. 1972г. 128с.
4. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания./М.: Машиностроение. - 1981. - 160с.
5. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д. Выбросы вредных веществ локомотивными энергетическими установками: монография. - М.: Маршрут, 2006. -248с.
6. Зв1т про НДР „Розробка теоретичних основ комплексно! ощнки еколого-економ1чних показниюв тепловозних дизел1в" УкрДАЗТ, 2005р.
7. СимсонА.Э., Хомич А.З., Жалкин С.Г. и др. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Транспорт, 1987. - 535с.
8. Парсаданов 1.В. Пщвищення якост i конкурентоспроможностi дизелiв на основi комплексного паливно-екологiчного критерiю: Монографiя. - Харкiв: Видавничий центр НТУ „ХПГ, 2003.-244 с.
УДК 504.06:629.424.1
Паламарчук Н.В., д.т.н., профессор (ДонИЖТ) Черняк Ю.В., к.т.н., доцент (ДонИЖТ) Гущин А.М., к.т.н., с. н. с., доцент (ДонИЖТ) Бондарь Е.А., зав. лабораторией (ДонИЖТ)
ПУТИ СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ НА ПУНКТАХ РЕОСТАТНЫХ ИСПЫТАНИЙ
ТЕПЛОВОЗОВ
Постановка вопроса. Работающие тепловозы являются одним из крупных источников выброса в атмосферу вредных веществ в виде окиси углерода, сажи, окислов азота, углеводородов и других веществ. Концентрации этих вредных веществ в отработавших газах в тысячи раз выше допустимых. Эти выбросы загрязняют окружающую атмосферу в больших объемах и на больших площадях. Исследованиями установлено [1], что за счет этих выбросов концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы в районе пункта реостатных испытаний превышают допустимые пределы в десятки раз.
Целью исследования являлось показать, что в настоящее время из всех известных способов снижения концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы приемлемым по технологическим и экономическим параметрам является рассеивание отработавших газов в большом объеме атмосферного воздуха.
Основная часть. Возможны три пути снижения степени загрязнения атмосферного воздуха отработавшими газами тепловозов:
- уменьшение концентрации вредных веществ в процессе сгорания топлива в цилиндре двигателя;
- обезвреживание вредных веществ в отработавших газах;
- рассеивание газов в атмосферном воздухе.
