CC BY
26
УДК 629.33.03: 621.43
С. В. Шапко1, Е. К. Ордабаев2, Е. Ж. Сарбалаев3
'к.т.н., доцент, Кременчугский национальный университет имени М. Остроградского, г. Кременчуг, Полтавская обл., Украина, 2к.т.н., профессор, 3магистрант, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, Павлодар, Казахстан.
СТАБИЛЬНОСТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЯ С КАТАЛИТИЧЕСКИМ НЕЙТРАЛИЗАТОРОМ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Разработан метод расчета экологических показателей автомобиля, который учитывает необходимые очистные свойства каталитического нейтрализатора при необходимости его установки с учетом требований стандартов, на выполнение которых ориентирован автомобиль. Предложен перечень показателей, по которым оцениваются изменения очистных свойств нейтрализатора в условиях эксплуатации автомобиля. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают предложенные и запатентованные конструкционные решения по обеспечению стабильности экологических характеристик автомобиля с каталитическим нейтрализатором.
Ключевые слова: автомобиль, каталитический нейтрализатор, отработавшие газы, стабильность экологических характеристик.
Общепризнано, что автомобильный транспорт является одним из существенных факторов техногенного воздействия на окружающую среду [1, 2]. Отрицательное влияние автомобилизации современного общества на биосферу многоаспектно. Это вещественное загрязнение воздуха, водоемов и почвы, шумовое воздействие, вибрации, скопление отработанных эксплуатационных материалов и т.п. [3, 4].
Однако, наиболее острой проблемой является загрязнение воздушного бассейна городов выбросами автомобильных двигателей. В отличие от крупных стационарных источников загрязнения автотранспорт представляет собой совокупность большого количества рассредоточенных на значительной территории автономных объектов. Проблема обусловлена, главным образом, количественным фактором - к началу нового тысячелетия численность мирового автомобильного парка превысила 700 млн. единиц техники, а уровень автомобилизации в ряде стран достиг 800 автомобилей на 1000 человек [5, 6].
Перспективы решения данной проблемы связано с такими направлениями как совершенствование конструкции и рабочего процесса двигателя, оснащение его антитоксичными устройствами и системами, перевод на нетрадиционные виды топлива, менее вредные с точки зрения эмиссии вредных веществ и др. [7, 8, 9]. Заслуживают внимания и новые схемы организации рабочего процесса в поршневых двигателях [10, 11].
Одним из наиболее эффективных средств уменьшения вредных выбросов является нейтрализация ОГ с применением окислительного и востановительного
катализатора. В процессе эксплуатации на автомобилях, оборудованных каталитическим нейтрализатором (КН), неизбежно ухудшение экологических показателей, главным образом, из-за отрицательного воздействия на катализатор соединений свинца, серы и твердых частиц (сажи). Очевидно необходимо обеспечить стабильность экологических характеристик в течение всего жизненного цикла автомобиля [12].
Считая основным показателем очистных свойств КН коэффициент очистки К1, показывающий кратность уменьшения концентраций г'-го компонента при прохождении ОГ через нейтрализатор (отношение концентраций на входе выходе) можно предложить метод расчета экологических показателей автомобиля, оборудованного КН. Метод позволит выбрать необходимые параметры нейтрализатора для обеспечения требований стандартов, на выполнение которых ориентирован автомобиль на определенный период его эксплуатации.
При этом важно учитывать:
- требования нормативно-технической документации (НТД); международных и национальных стандартов;
- характеристики автомобильного двигателя по вредным выбросам на режимах, обусловленных соответствующими стандартами;
- принятую периодичность технического обслуживания (ТО) автомобиля и перечень необходимых профилактико-восстановительных операций по КН.
Выбросы вредных веществ автомобилем следует оценивать по методикам, предусмотренным соответствующими стандартами, на выполнение требований которых ориентирован автомобиль.
В частности, если автомобиль ориентирован на выполнение требований Правил ЕЭК ООН № 49 [13], содержание вредных веществ по каждому ьму вредному компоненту, который оценивается их удельными выбросами g1.а в
а
ёАд ап, определяются по результатам испытаний двигателя на моторном стенде на режимах 13-ступенчатого ездового цикла и вычисляются по формуле
£ ОК
~ (2) £ NK (2)
/ 1 е 1а 1
где G. - массовый выброс ьго компонента на режиме испытаний;
К - весовой коэффициент режима;
Nе- эффективная мощность на режиме испытаний;
г - компоненты вредных веществ (СО, СНу , NОx и др.) в ОГ.
Аналогично определяются выбросы вредных веществ из системы выпуска ОГ с установленным КН.
При установлении нейтрализатора удельные выбросы ьго компонента определяют на каждом режиме испытаний по методике, предусмотренной
стандартом, с учетом очистных характеристик неитрализатора на тех же самых режимах
_ ' , (3)
где - удельный выброс ьго компонента на режиме испытании двигателя; к. - коэффициент очистки нейтрализатора на режиме испытаний. Он является обратной величиной коэффициента К .
Установкой в систему выпуска ОГ каталитического нейтрализатора возможно значительно улучшить экологические характеристики автомобиля. Образцы КН, которые исследовались, имели сначала коэффициент очистки по СО около 10 (по степени очистки почти 90 %). Однако, через 10...12 тыс. км пробега автомобиля очистные свойства КН ухудшились почти в 2 раза (рис.1).
Рисунок 1 - Зависимость коэффициента очистки КН от пробега автомобиля S
Автомобиль с новым КН имеет начальные удельные выбросы вредных веществ по ьму компоненту ^ меньшие, чем исходные выбросы двигателя без КН в определенное количество раз, которые оценивается коэффициентом очистки КН
р
К _ 'аа
(4)
'НА
В том случае, если установка КН обусловлена выполнением требований
р
НТД по выбросам ьго компонента '' , необходимый коэффициент очистки КН определяется выражением:
К
'аа
Ч ОА
(5) 121
Если соблюдается соотношение g. „ < gq ^ по всем нормированным компонентам ОГ, и в процессе эксплуатации автомобиля между его техническими обслуживаниями это условие не нарушается, то необходимости установки нейтрализатора нет. В зависимости от того, по каким компонентам не выполняются требования стандартов, выбирается тип катализатора: окислительный или восстановительный.
В процессе эксплуатации автомобиля происходит ухудшение очистных свойств КН, которые частично восстанавливаются при ТО проведением регенерации каталитического блока. Уровень уменьшения очистных свойств КН между последовательными регенерациями возможно учесть коэффициентом K. :
ls
к,
K , (6)
где Ki -коэффициент очистки нейтрализатора в начале межрегенерационного периода ASPP;
Ki„ - коэффициент очистки нейтрализатора в конце межрегенерационного периода ASP.
Уровень уменьшения очистных свойств КН возможно определить через параметр стабильности [12] и пробег автомобили до ТО AStf
^ ■ AS/;
= i +
S
K ^ = 1 + ^-^. (7)
gu
" í
Стабильность экологических показателей автомобиля в эксплуатации по ьму компоненту можно оценить по величине увеличения удельных выбросов на единицу пробега:
= —, (8)
'по Д£
где Дgi - изменение удельных выбросов ьго компонента ОГ за пробег Д£.
Показатель ^ предложено назвать параметром стабильности экологических характеристик автомобиля [12].
Регенерация катализатора при проведении ТО не обеспечивает восстановления начальных очистных свойств катализатора. Поэтому значение коэффициента очистки катализатора после первой регенерации оказывается меньшим, чем у нового КН, а после каждой последующей регенерации - меньшим, чем после предыдущей.
В расчетах можно предположить, что коэффициент очистки К. КН после
]
j-й регенерации в сравнении с коэффициентом очистки К... после предыдущей (j-1) регенерации уменьшается в одно и тоже количество раз, которое учитывается коэффициентом Kip (рис. 2), т.е.
К ч -1
К,„ = ——— = Const •
'p
К
(9)
Ч]
Количество регенераций определяется допустимой границей уменьшения коэффициента очистки, когда эксплуатация КН становится недопустимой в результате возможного разрушения каталитического блока, или экономически и технически нецелесообразной, поскольку увеличение числа регенераций неизбежно приведет к увеличению необходимого коэффициента очистки, т.е. увеличению габаритов, массы и стоимости нового КН.
К
Пробит rTfij-1 рдонцшия^ ад. 5
-Г ¡мм шсршщ н
llfHJ&ci aoj
К*
Рисунок 2 - Изменение коэффициента очистки КН при эксплуатации
Таким образом, требуемый коэффициент очистки К^^ должен учитывать допустимые стандартом нормы выбросов по ьму компоненту § ^ ^ , ухудшение экологических показателей за период эксплуатации автомобиля между ТО коэффициентом k ^ , , а также ухудшение очистных свойств КН после каждого следующего его Т(О (регенерации) в сравнении с предыдущим коэффициентом К {д . Эта зависимость рассчитывается за формулой
=
S'nn
g.
Ч OA
g,
Кт
(10)
где m - допустимое число регенераций.
Таким образом, используя данный метод расчета, можно подобрать конструкцию нейтрализатора с минимальным, но достаточным объемом катализатора для очистки ОГ до уровня действующих требований НТД. Это позволит уменьшить затраты на оборудование таким КН автомобиля.
Возможно решение и другой задачи. При оборудовании автомобиля КН определяется запас по экологическими показателями ОГ на допустимость их ухудшения в эксплуатации. Значение этого запаса сравнивается с параметром стабильности Л^, и, зная зависимость изменения экологических показателей, определяется допустимый пробег автомобиля. Исходя из полученных данных, определяется периодичность ТО (регенерации КН), которую необходимо согласовать с действующей периодичностью проведения ТО автомобиля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Каншо, П. М. Канцерогеншсть вщпрацьованих газiв автомобшв [Текст] / П. М. Каншо, К. В. Костенко, Н. В. Внукова, С. О. Коверсун // Автомобильный транспорт : сб. науч. тр. / М-во образования и науки Украины, ХНАДУ ; [редкол.: Туренко А. Н. (гл. ред.) и др.]. - Харьков, 2013. - Вип. 29. - С. 160-167.
2 Лежнева, О. I. Результати дослщження забруднення атмосферного пов^ря автомобшьним транспортом на вулицях м. Харкова [Текст] / О. I. Лежнева // Автомобильный транспорт : сб. науч. тр. / М-во образования и науки Украины, ХНАДУ ; [редкол.: Туренко А. Н. (гл. ред.) и др.] - Харьков, 2013. - Вып. 33. -С. 110-114.
3 Матейчик, В. П. Моделювання еколопчних показниюв транспортних засобiв в шформащйно-аналггичнш системi мошторингу транспортних потоюв [Текст] / В. П. Матейчик, К. Лейда, С. Ю Гутаревич, М. П. Цюман // Вюник Нащонального транспортного ушверситету. - К. : НТУ. - 2014. - Вип. 30. - С. 246-254.
4 Грищук, О. К. Ощнка еколопчного навантаження в процесi експлуатащТ дшянки автомобшьноТ дороги [Текст] / О. К. Грищук, О. П. Кобзиста, I. С. Федш // Вюник Нащонального транспортного ушверситету. - К.: НТУ. - 2014. -Вип. 30. - С. 69-77.
5 Гутаревич Ю. Ф. Еколопя та автомобшьний транспорт [Текст]: навч. посiбник / Ю. Ф. Гутаревич, Д. В. Зеркалов, А. Г. Говорун. - К.: Арютей, 2006. - 292 с.
6. Экологическая безопасность автомобилей: монография / Е. К. Ордабаев. -Павлодар : Кереку, 2014. - 122 с.
7 Лэвтэров, А. М. Вивчення впливу моторних властивостей бюпалива на енергоеколопчш характеристики дизельного двигуна [Текст] / А. М. Лэвтэров, В. П. Мараховський, В. Д. Савицький // Автомобильный транспорт : сб. науч. тр. / М-во образования и науки Украины, ХНАДУ ; [редкол.: Туренко А. Н. (гл. ред.) и др.] - Харьков, 2012. - Вып. 31. - С. 57-61.
8 Шапко, В.Ф. Шдвищення еколопчних показниюв дизельного автомобшя тд час використання бюдизельного палива [Текст] / А. I. Атамась,
С. В. Шапко // Вюник Кременчуцького нащонального ушверситету iMeHi Михайла Остроградського. - Кременчук : КрНУ iM. М. Остроградського, 2012. - Вип. 3/2012(74).- С. 128-132.
9 Шапко, В. Ф. Экологические показатели дизельных двигателей с разными условиями смесеобразования при работе на биодизельном топливе [Текст] /
B. Ф. Шапко, С. М. Черненко, А. I. Атамась, А. Ю. Горпинченко // Сборник трудов по итогам международной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении». Вып. № 13. - Брянск: БГИТА, 2011. - С. 72-77.
10 Ордабаев, Е. К. К проблемам принудительного холостого хода карбюраторного двигателя // Автомобильная промышленность. - 1986. - № 1. - С. 8.
11 Система рециркуляции отработавших газов карбюраторного ДВС. Авторское свидетельство СССР № 1502872. Бюлл. изобр. № 31 от 23.08.1989 г.
12 Шапко, С. В. Показники ощнки стабшьност еколопчних характеристик автомобшя з катал^ичним нейтралiзатором вщпрацьованих газiв [Текст] /
C. В. Шапко, В. Ф. Шапко // Науковий журнал «Еколопчна безпека». Науковi пращ КНУ iм. М. Остроградського. - Кременчук : КНУ iм. М. Остроградського, 2011. - Вип. 1/2011(11). - С. 78-80.
13 Правила № 49 ЕЭК ООН. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия и транспортных средств, оснащенных двигателями с воспламенением от сжатия, в отношении выделяемых ими загрязняющих веществ. [Текст] - Заключено в Женеве 20.03.58. - 62 с.
Материал поступил в редакцию 15.12.2015.
С. В. Шапко1, Е. К. Ордабаев2, Е. Ж. Сарбалаев2
Каталитикальщ конвертер жабдьщталган кел1кт1 пайдалану жагдайында экологияльщ керсетюштершщ тура^тылыгы
1Кременчуг университет^ Кременчуг, Полтава облысы, Украина 2С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет
Материал 15.12.2015 баспаFа тYстi
S. V. Shapko1, E. K. Ordabaev2, Y. Z. Sarbalayev3
The stability of the ecological characteristics of a vehicle equipped with a catalytic converter in operation
1Kremenchug National University of Mkhael Ostrogradskiy, Ukraine 2S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, Kazakhstan.
Material received on 15.12.2015.
Стандарт талаптарына сай автомобильдщ экологияльщ кврсеткштерт катализдж нейтрализатордыц цажеттi газ тазарту децгейт ескеретт есептеу odici жасалды. Автоквлiктi крлдану жагдайында неитрализатордыц газ тазалау цасиеттерЫц взгерют аныцтайтын кврсеткштер тiзiмi усынылган. ОткЫлген тэжiрибиелiк зерттеулер
катализджнеитрализатормен жабдъщталган автомобильдщ экологияльщсипаттамасынъщ турацтылыгын щмтамасыз ету мацсатында патенттелген цурылымдъщ шешiмдер мен усыныстардыц тшмдшгт растады.
The method of calculation of environmental performance in vehicle with a catalytic converter, the algorithms of which take into account the requirements of national and international standards, planned frequency of maintenance of the vehicle, minimizing equipment costs of vehicle neutralizer and its service. The proposed list of indicators used to assess the changes in treatment properties of the converter during operation of the vehicle. Experimental studies confirm the proposed and patented designs for stability of the ecological characteristics of a car with a catalytic converter.
