Метод снижения содержания дисперсных частиц в отработавших газах дизеля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Шевченко, Денис Владимирович

• Шевченко, Денис Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Шевченко, Денис Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ

ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ЕЁ РЕШЕНИЯ

1.1. Дисперсные частицы - наиболее опасный компонент дизельного выхлопа

1.2. Методы моделирование процессов образования и выгорания дисперсных частиц

1.3. Современные средства и методы снижения эмиссии дизельных частиц

1.4. Обоснование выбора химического реагента

1.5. Способы получения водородного реагента в рабочем пространстве дизеля

1.6. Способ получения химического реагента в автономной (бортовой) системе на основе конверсии метанола

1.7. Обоснование направления исследования

1.8. Цель и задачи исследования

Глава 2. МЕТОД СНИЖЕНИЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В ДИЗЕЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ КОНВЕРСИИ МЕТАНОЛА В КАЧЕСТВЕ ХИМИЧЕСКОГО РЕАГЕНТА

2.1. Формулирование концепции метода

2.2. Влияние водородного реагента на кинетику окисления топливно-воздушных смесей

2.3. Роль водорода как химического реагента в кинетических механизмах образования и выгорания дисперсных частиц

2.4. Методологический аспект исследования процессов образования и выгорания дисперсных частиц в присутствии водородного реагента

2.5. Методика расчета результирующего выделения дисперсных частиц в дизеле, при его работе с использованием средств химической активации

2.6. Определение выбросов дисперсных частиц по замеренной дымности ОГ

2.7. Тестовая проверка достоверности предложенной методики расчета

2.8. Выводы по главе 2

Глава 3. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Методика апробации концепции и технических решений, реализующих предложенный метод, в условиях моторного стенда

3.2. Методика апробации концепции предложенного метода по условиям испытательного цикла Правил Я96

3.3. Оценка погрешностей измерений

3.4 Термокаталитический реактор конверсии метанола

3.5 Опытная энергетическая установка для апробации 82 предложенной концепции метода

3.6 Методика проведения испытаний

3.7 Оценивание погрешностей измерений

Глава 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Исследование характера влияния водородного реагента на

показатели результирующей эмиссии частиц

4.2. Исследование влияния водородного реагента на эмиссию несгоревших углеводородов

4.3. Апробация концепции предложенного метода по условиям испытательного цикла Правил Я96

4.4. Заключение по результатам исследования

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Перечень сокращений:

ПКМ - продукты конверсии метанола;

ТХР - термохимический реактор;

ВВ - вредные вещества;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ДТ - дизельное топливо; КС - камера сгорания; ОГ - отработавшие газы;

п.к.в. - поворот коленчатого вала; ДЧ - дисперсные частицы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод снижения содержания дисперсных частиц в отработавших газах дизеля»

ВВЕДЕНИЕ

Важную роль в загрязнении атмосферы промышленно развитых мегаполисов вредными веществами (ВВ) играют мобильные средства с дизелями. Отработанные газы (ОГ) этих двигателей оказывают вредное воздействие на здоровье людей и окружающую среду, определяемое, в основном, содержанием в них оксидов азота и ДЧ.

Развитие исследований в направлении снижения выбросов вредных ВВ с ОГ дизелей связано с созданием и организацией рабочего процесса, направленного на снижение токсичности и применением на выпуске продукции средств дополнительной очистки ОГ.

Применяемые в настоящее время средства очистки ОГ от ДЧ, которые связаны с внушительными финансовыми, а также технологическими ресурсами, очевидно, позволят на какое-то время понизить остроту экологических проблем в сфере эксплуатации дизельной техники. Однако ясно, что на этом направлении, которое, к тому же, обуславливает дополнительную проблему снижения экономических качеств дизеля (вследствие повышения противодавления на выпуске), в перспективе не могут быть созданы экологически совершенные транспортные энергоустановки нового поколения. В такой ситуации необходим поиск новых, эффективных решений по совершенствованию экологических качеств их рабочего процесса. Одним из возможных альтернативных решений может послужить использование средств химической активации (химактивации).

Подобные средства, улучшающие экологические и эффективные показатели работы дизелей, уже относительно давно применяются, например, в виде коммерческих присадок к топливу, способствующих снижению эмиссии частиц, повышению эффективности самовоспламенения дизельного топлива и др. Водород среди таких средств занимает определенное место. Его высокая эффективность как химического реагента (химреагента) подтверждалась результатами многочисленных экспериментов. Можно также предположить, с большой степенью вероятности, что способность водорода как химреагента

может проявиться и в реакциях образования и окисления других компонентов ДЧ, имеющих схожую с дисперсными частицами химическую структуру, в первую очередь, органической фракции.

В массовом использовании водорода в дизелях в качестве химреагента сталкиваются с проблемой отсутствия инфраструктуры его производства, а также важной системы распределения. Есть экономические барьеры, связанные с высокой стоимостью и низким уровнем эксплуатационной безопасности. В диссертационной работе был использован экономически оправданный и безопасный способ, предусматривающий хранение водорода в химически связанном состоянии в виде жидкого соединения, внутри мобильного средства. В качестве такого соединения как носителя водорода использовался метанол, который подвергался термохимическому преобразованию (конверсии) в водородосодержащие газообразные продукты в реакторе, установленном в выпускной системе дизеля. Кинетический механизм образования и выгорания частиц для системы горения топливно-воздушной смеси в присутствие водородосодержащих продуктов конверсии метанола как химического реагента до настоящего времени не имеет конкретных научных объяснений. До конца не раскрыта методическая сущность формирования структурированной системы средств и технических решений для эффективной реализации концепции метода воздействия водородного реагента на механизмы результирующего выделения частиц в дизеле.

В связи с неотложной необходимостью решения задач по социально важно

>

важной проблеме экологической безопасности на транспорте, а также принимая во внимание тенденцию к периодическому ужесточению норм по ограничению эмиссии ДЧ, разработка альтернативного варианта метода снижения содержания частиц в продуктах сгорания дизелей с использованием водородосодержащего химического реагента обуславливает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Цель диссертационного исследования:

Разработка метода снижения эмиссии ДЧ путем активации процесса окисления углеводородных компонентов топлива в рабочем пространстве дизеля водородосодержащим химическим реагентом.

Согласно поставленной цели, выделены следующие положения, выносимые на защиту:

• методология исследования характера реакционного воздействия водородосодержащего химического реагента на кинетический механизм результирующего выделения ДЧ в дизеле;

• методика расчета образования и выгорания ДЧ в условиях системы горения топливно-воздушной смеси в присутствие водородосодержащего химического реагента;

• метод снижения содержания ДЧ в продуктах сгорания дизеля путем введения в состав топливно-воздушной смеси водородосодержащих продуктов конверсии метанола в качестве химического реагента;

• структурированная система средств и технических решений для реализации предложенного метода, адаптированная к условиям работы дизеля транспортно-технологического средства на базе колесного трактора.

• результаты исследования влияния водородного химического реагента на кинетику образования и выгорания ДЧ для различных режимов работы дизеля;

• практические рекомендации по снижению эмиссии ДЧ с ОГ транспортных дизелей на основе использования водородных средств химической активации.

Научную новизну результатов исследования составляют:

- методология исследования особенностей образования и выгорания ДЧ в системе окисления углеводородных компонентов топлива в присутствие водородных средств химической активации;

' I

- результаты исследования кинетического механизма . воздействия водородного реагента на термохимические акты, определяющие результирующее содержание ДЧ в продуктах сгорания дизеля;

- методика расчета образования ДЧ в дизеле, базирующаяся на модели, учитывающей характер реакционных свойств химического реагента;

- научно обоснованный метод снижения содержания ДЧ в продуктах сгорания дизеля на основе применения водородосодержащего химреагента (продуктов конверсии метанола).

Практическую ценность представляют:

• разработанная методика расчета эмиссии ДЧ с ОГ дизелей, работающих с использованием водородных средств химической активации горючих смесей, позволяющая сократить затраты времени и средств на проведение экспериментальных исследований;

• рекомендации по совершенствованию рабочего цикла дизеля и снижению эмиссии ДЧ на основе применения водородосодержащего химреагента;

• структурированная система средств и технических решений для реализации предложенного метода, адаптированная к условиям работы дизеля транспортно-технологического средства на базе колесного трактора.

Исследование вышеуказанных положений проводилось на основе таких методов исследований. Методика моделирования процессов образования и выгорания ДЧ при окислении углеводородных компонентов топлива, активированного химреагентом, представляет собой множество последовательных и взаимосвязанных, сочетающихся расчетно-теоретических и экспериментальных работ. Для их проведения были использованы математическая модель и программное обеспечение, которые позволили оценить реакционную эффективность продуктов конверсии метанола как химического реагента в кинетических актах, лежащих в основе процессов результирующего, выделения ДЧ. Проверка достоверности предложенной методики расчета осуществлялась на основе сравнительного анализа данных

расчета и результатов экспериментальных исследований дизеля, который работает в штатном и опытном вариантах организации рабочего процесса.

Объект исследования - энергетическая установка, которая создана на базе серийного дизеля (тип 44 10,5/12), оснащенного термохимическим преобразователем спиртового топлива в водородосо держащий газ, используемый в качестве химического реагента, а также системой дозирования расходом реагента в системе питания двигателя.

и

Глава 1.

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ЭМИССИИ ДЧ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ ДИЗЕЛЕЙ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ

ЕЁ РЕШЕНИЯ

1.1. Дисперсные частицы - наиболее опасный компонент дизельного

выхлопа

Под дисперсными частицами в области транспортной экологии принято понимать все вещества в твердой и жидкой фазе (за исключением воды), выбрасываемые в атмосферу с ОГ дизелей. Дисперсные частицы ДЧ относятся к наиболее опасным компонентам дизельного выхлопа. Высокая потенциальная опасность этих частиц обусловлена тем, они содержат в своем составе ряд известных мутагенов и канцерогенов. При этом сверхмалые размеры частиц позволяют им активно проникать в дыхательные органы человека.

Как показала практика и исследования, было обнаружено и идентифицировано, в составе ДЧ более 1000 веществ. Их укрупнено подразделяют на 4 группы (фракции): углеродную, органическую, сульфатов и нитратов, а также неорганических примесей, представленный на рис. 1.1 [1].

Углеродная фракция представляет собой дисперсный углерод, образующийся при высокотемпературном пиролизе топлива в условиях ограниченного доступа окислителя - кислорода. Дисперсный углерод (дизельная сажа) имеет слоистое строение, близкое к строению графита. Размеры ДЧ соответственно достигают 0,1... 1,0 мкм [2].

Сульфаты, нитраты 1% (1...4%)

Металлы и другие

Прочее

3% (1...10%)

Органическая фракция

19% (7...49%)

Углеродная фракция

75% (33... 90%)

Рис. 1.1. Фракционный состав ДЧ.

Фракция сульфатов в основном включает в себя образования из серы, которая входит в состав дизельного топлива [2].

Органическая фракция - комплекс несгоревших углеводородов топлива и моторного масла, которые выбрасываются дизелями в слои атмосферы в капельножидком (аэрозольном) виде. Кроме того, в ее состав включаются продукты, относящиеся к продуктам процессов неполного сгорания, а также частичного пиролиза соединений топлива и моторного масла в камере сгорания (КС), поступающие в атмосферу в виде частиц. Вклад моторного масла в общем фоне органической фракции достигает 75%, а оставшаяся часть включает несгоревшие соединения дизельного топлива.

Фракция примесей состоит из неорганических соединений, образующихся из примесей и присадок к топливу и моторному маслу. Это вещества, которые образуются в процессе износа двигателя, а также, те вещества, которые не улавливаются воздушным фильтром при входе в сам двигатель. В этом случае содержание фракции примесей в составе ДЧ в среднем составляет 5 %, а металлы занимают примерно одну вторую этого количества.

Тот факт, что наибольшая доля ДЧ приходится именно на углеродную фракцию, причем в некоторых случаях при определенных режимах дизеля она

достигает порядка 90% [2], основное внимание при изучении обсуждаемой проблемы будет уделено именно этому компоненту ДЧ.

Механизм образования ДЧ. Предложено большое количество теоретических положений, объясняющих акты преобразований углеводородов топлива при его горении, обуславливающих образование частиц [1]. Согласно этим положениям, можно выделить определенные последовательные этапы образования ДЧ - фазы: образование зародышей, зарождение, коагуляция, рост частиц.

Первый этап процесса образования частиц, как правило, связан с образованием зародышей и протекает обычно в газовой фазе. При этом топливо в процессе сгорания в цилиндре дизеля будет подвергнуто пиролизу и далее произойдет расщепление на углеводородные радикалы, которые в свою очередь образуют углеводородные соединения с малым молекулярным весом в условиях недостатка кислорода: ацетилен (С2Н2), являющийся основным виновником появления зародышей частиц [1].

Далее происходит процесс столкновения зародышей частиц, которое в дальнейшем приведет к процессу их коагуляции - формированию частиц большей молекулярной массы. Такой процесс позволяет снизить концентрации ДЧ.

На следующем этапе (рост), происходит большое увеличение массы и размеров ДЧ.

При этом, можно отметить, что по мере роста частиц, происходящего на поздних стадиях процесса сгорания и в процессе расширения происходит их объединение. По мере такого объединения рост замедляется, и далее происходит образование сложных комплексов в виде цепочек, которые объединены между собой частицами [3].

Процессы выгорания частиц, как правило, происходят на их поверхности. Они сопровождаются снижением массы и их размеров. Экспериментальным путем было доказано, что в процессе выгорания задействованы О (атомарный кислород) и ОН (радикалы) наряду с 02 (молекулярным кислородом) [4].

Принято также считать [1,4], что этот весь процесс проходит двухстадийно. Сначала атомы кислорода присоединяются к поверхности ДЧ, образуя при этом «активные места», а затем - атомы углерода отщепляются от частиц.

Исследование вышеизложенных современных взглядов на механизмы образования и выгорания частиц позволяет в общем виде подойти к анализу влияния водородосодержащего химического реагента, вводимого на кинетику этих механизмов, что является целевой задачей данного диссертационного исследования.

1.2. Методы моделирования процессов результирующего выделения

ДЧ в дизелях

Наиболее полное представление о механизмах образования и выгорания ДЧ может быть получено на основе применения современных методов математического моделирования. В настоящее время существует множество математических моделей, описывающих с той или иной степенью достоверности процессы выделения ДЧ [5-17]. Наиболее простые модели в общем виде характеризуют процессы появления и выгорания ДЧ. Как правило, наиболее сложные модели учитывают кинетику химпроцессов и при этом достаточно детально описывают отдельные этапы процессов образования и окисления ДЧ. Авторами, при создании моделей предпринимаются попытки наиболее более точного учета влияния основных факторов на процессы образования и выгорания ДЧ.

Как показал предварительный анализ факторов, которые влияют на результаты выделения ДЧ - именно физические условия в наибольшей степени влияют на кинетику процессов образования и выгорания. Такими условиями являются: температура Т и давление в цилиндре р, а также состав топливовоздушной смеси, который определяется коэффициентом избытка воздуха а в процессе сгорания топлива.

Наиболее простой подход к оценке величины результирующего выделения ДЧ был предложен проф. Камфером Г.М. Расчет концентрации в ОГ частиц (мг/л) производится с использованием зависимости:

С = Кср

п

Г.

1000 60

— ехр

С

а

1-

V

О

тц у

[мг/л];

где р - отношение плотности топлива и плотности воды (¿=15 С); к - это фактор, который характеризует свойства топлива,

равен 1,216

р

Тср - среднеобъемная температура кипения топлива [К]); п - частота вращения вала дизеля [мин_1];

т.,

-- относительное количество топлива, которое подготовлено к

щ

сгоранию за период задержки воспламенения;

Шу1 - количество топлива, испарившегося за время задержки воспламенения [г];

Спщ - цикловая доза топлива [мг];

Кс - коэффициент, позволяющий идентифицировать зависимость с реальными условиями рабочего процесса дизеля.

Общеизвестна более сложная модель, предложенная проф. Н.Ф.Разлейцевым, в которой принято, что дисперсные частицы могут образовываться в основном по двум направлениям [1]. Это может происходить вследствие высокотемпературной термической полимеризации и дегидрогенизации парожидкостного ядра испаряющихся капель. Также этот процесс может проявляться в результате цепного деструктивного превращения молекул топлива, диффундирующие от поверхности капель к фронту пламени.

Вместе с этим идет процесс выгорания ДЧ и уменьшения их объемной концентрации на такте расширения.

Отличительной особенностью модели образования и выгорания частиц, предложенной проф. С.А.Батуриным, является то, что при ее формировании рассматривается шесть стадий [2-4]: I - первичное разложение топлива на индивидуальные низкомолекулярные углеводороды; II - термическое разложение индивидуальных углеводородов с образованием ацетилена; III взрывное разложение ацетилена с образованием радикалов-зародышей; IV -науглероживание радикалов-зародышей до образования физической частицы минимальных размеров; V - поверхностный рост частицы до характерных размеров; VI - выгорание частиц в твердой и газообразной фазах. Для каждой из выделенных стадий автором предложены химические уравнения и константы скоростей реакций, положенные в основу алгоритма математической модели.

Также существуют и другие модели процессов образования и окисления ДЧ [5-14]. Но все они, не зависимо от сложности, как правило, нуждаются в определении и сравнении с использованием экспериментальных данных. При этом более сложные модели должны включать большее число экспериментальных данных, что, не способствует повышению точности расчета, хотя практически всегда требуют очень больших издержек машинного времени и использования мощной базы вычислительной техники.

1.3. Современные средства и методы снижения эмиссии ДЧ

Применение экологически чистых топлив. Основной проблемой при выпуске дизельных топлив в России (ГОСТ 305-82) в отличие от зарубежных аналогов топлива является высокое содержание серы, которое значительно повышает выбросы с ОГ ДЧ. Согласно предъявляемым современным требованиям зарубежных и отечественных стандартов к содержанию серы в дизельных топливах (табл. 1.1), можно наблюдать, что требование

действующей европейской нормы (ЕЫ-590) для отечественного дизельного топлива превышают в 4-10 раз.

Таблица 1.1.

Основные требования зарубежных и отечественного стандартов к содержанию серы в дизельных топливах

Стандарт Содержание серы в топливе, % (не более)

Европейская норма ЕЫ-590 (действующая) 0,05

Требования комиссии ЕЭС (на перспективу) 0,035

Требования ЕААК (перспективные) 0,003

ГОСТ 305-82 0,1...0,5

С целью повышения качества российского топлива и соответствующего снижения эмиссии частиц предусмотрен выпуск вместо дизельных топлив Л и 3 экологически чистых (ДЭК-Л и ДЭК-3 соответственно) с долей серы не более 0,05%, в которых содержанию серы удовлетворяет действующей норме европейского стандарта.

Совершенствование рабочего процесса. Выброс токсических продуктов неполного сгорания, в том числе и несгоревших ДЧ органически присущ дизелям и обусловлен характером проходящих в них процессов смесеобразования и сгорания. От состава рабочего заряда, скорости реакции и от времени ее протекания в реальных условиях сгорания в цилиндре двигателя зависит полнота превращения реагирующих веществ в конечные продукты.

Совершенствование рабочего процесса в дизелях будет получаться за счет использования высокоэффективных систем наддува с промежуточным охлаждением воздуха. Также будут применяться системы топливоподачи с высокими энергиями впрыскивания топлива и др. Было отмечено, что такое введение наддува, как правило, сопровождается активным повышением плотности теплового потока во время излучения в объёме КС. Этот процесс ускоряет смесеобразование вследствие поглощения частицами топлива энергии

лучистого теплового • потока и возрастания скорости их испарения с одной стороны, и совершенствованию сгорания углеводородов топлива, с другой.

Процесс оптимизирования скорости движения воздушного заряда в КС происходит в виде упорядоченного вращательного движения воздушного заряда относительно оси распылителя форсунки и должно быть согласовано с числом факелов впрыскиваемого топлива. Если скорость движения воздушного заряда чрезмерно низка или, наоборот - высока, то это ухудшает качество смесеобразования и сгорания топлива. При небольшой скорости снижается степень использования воздуха в процессе сгорания, а при большой - топливо может попадать в зоны горения с высокой температурой и относительно низким содержанием кислорода, так называемое «перекрытие» факелов, на завершающих стадиях впрыскивания. В том и другом случаях будет наблюдаться повышенное содержание продуктов неполного сгорания углеводородов и частиц в ОГ дизеля.

Оптимизация момента топливоподачи. Для повышения полноты сгорания углеводородов топлива (обеспечивающей низкий выход с ОГ продуктов неполного сгорания и частиц) требуется необходимое впрыскивание для увеличения продолжительности периода между завершением впрыскивания и открытием выпускных клапанов и интенсификации сгорания.

Повышение энергии впрыскивания происходит под влиянием повышения давления и сокращение продолжительности впрыскивания топлива, что является положительным моментом процесса, и проявляется в улучшении качества смесеобразования, и за счет этого происходит интенсификация сгорания ДЧ в диффузионной фазе процесса.

Стадия многостадийного впрыска осуществляется сейчас, когда дизельные топливоподающие системы управляются формой характеристики впрыскивания топлива, включающая дозирование впрыскиваемого топлива на несколько частей с регулированием фазового интервала между ними в течение одного цикла. При этом наблюдается снижение температурной неоднородности

реагирующей среды, • повышается полнота сгорания углеводородной -(органической) и углеродной фракций ДЧ.

Применение системы фильтрации ОГ. Для уменьшения выброса ДЧ ДЧ с ОГ дизелей, как правило, ДЧ осаждаются на механическом керамическом фильтре, имеющий автоматическую систему регенерации накопленных частиц. Чаще всего используются керамические фильтры с каталитической системой восстановления различными путями: применением каталитических покрытий на фильтре; использованием катализаторов для синтеза высокоэффективных окислителей ДЧ, таких как диоксид азота; введением каталитических активаторов горения частиц в топливо (присадки).

Применение комплексных систем для очистки ОГ дизелей.

Многокомпонентные (комплексные) системы очистки ОГ дизеля включают в себя окислительный нейтрализатор, сажевый фильтр и селективный каталитический нейтрализатор (SCR), работающий с применением восстановительной среды. Установка столь большого числа очистительных устройств в системе выпуска дизеля способствует существенному повышению газодинамических (насосных) потерь. К тому же, эти системы дороги, сложны в обслуживании и поэтому, несмотря на их высокую эффективность, еще не нашли широкого применения в сфере эксплуатации дизельных мобильных средств.

Применение гибридных силовых установок.

Как альтернативу классическим транспортным энергоустановкам рассматривают гибридную силовую установку (ГСУ), под которой понимается сочетание ДВС, электрогенератора, накопителя энергии и тягового электродвигателя. Для производителей гибридная технология представляет интерес, поскольку вся существующая технологическая инфраструктура используется полностью, без каких либо доработок. Известны опытные варианты транспортных средств с ГСУ, оснащаемые дизелями. Условия работы дизеля по генераторной характеристике обуславливают возможность оптимизации его режима с минимизированным уровнем эмиссии ДЧ.

Выводы по разделу

В целом из приведенного выше краткого анализа современных средств и методов улучшения экологических качеств транспортных дизелей следует, что повышение уровня их экологической безопасности до допустимых пределов -сложная научно-техническая задача, в процессе решения которой нужно учитывать рентабельность используемых мероприятий при сохранении высоких экономических и энергетических свойств двигателя.

Современные средства снижения выбросов ДЧ с ОГ, которые связанны с большими финансовыми и технологическими затратами, очевидно позволят на какое-то время снизить проблемы экологического характера, происходящие в сфере эксплуатации дизельной техники. Но, очевидно, что в этом направлении, в дальнейшем нельзя создавать совершенные дизельные мобильные средства нового поколения с точки зрения экологии. Также нужно отметить, что эта проблема постоянно углубляется по мере нарастания дефицита нефтепродуктов. Что требует поиска новых форм, экономически оправданных, экологически целесообразных. Использование химических реагентов воздействия на процессы окисления и сгорания углеводородных компонентов дизельного топлива и механизмы актов образования ДЧ можно будет считать одним из основных альтернативных решений этого вопроса.

1.4. Обоснование выбора химического реагента

Методы реакционно-химического воздействия интересуют исследователей ввиду того, что они достаточно эффективны, так как обеспечивают непосредственное воздействие на кинетические параметры процессов окисления (сгорания) углеводородов топлива, определяющих эмиссию газообразных, аэрозольных и твердых продуктов неполного сгорания. Среди различного рода активирующих сред хорошо известны, например, коммерческие антидымные присадки к топливу, средства, улучшающие его самовоспламенение и др. Приемлемость того или иного химического соединения в качестве реагента в настоящее время определяется, кроме его

активирующими свойствами, также его стоимостью и масштабами промышленного производства, соответствующие практической необходимости и целесообразности.

В рамках реализации целевых задач данного диссертационного исследования предполагается использование водорода в качестве химического реагента, обладающего уникальными физико-химическими свойствами. Выбор можно обусловить довольно известной способностью водорода инициировать окислительные процессы в дизельных (обедненных) смесях благодаря энергии, необходимой для начала реакции окисления водорода, что в десять раз ниже необходимой для углеводородов топлива, как представлено в таблице (табл. 1.2).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шевченко, Денис Владимирович, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Perez J.M., Lipari F., Seizinger D.E. Cooperative development of analytical methods for diesel emission and particulates // SAE Paper. - 1984. — №840413.-22 p.

2. Carpenter K., Johnson J.H. Analysis of the physical characteristics of diesel particulate matter using transmission electron microscope techniques // SAE Paper. - 1979.-№790815.- 17 p.

3. Harris S.J., Weiner A.M. Surface growth of soot particles in premixed ethylene/air flames // Combustion Science and Technology. - 1983. - №31. -P.155-167.

4. Stanmore B.R., Brilhac J.F., Gilot P. The oxidation of soot: a review of experiments, mechanisms and models. // CARBON. - 2001. - №39. - P.2247-2268.

5. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. —Харьков: Вища школа, 1980. - 169 с.

6. Батурин С.А., Ложкин М.Н. Исследование динамики сажевыделения и температуры пламени на неустановившихся режимах работы дизеля ЯМЗ-238 НБ // Исследование и совершенствование быстроходных дизелей. -Барнаул, 1978. - С.46-53.

7. Батурин С.А., Лоскутов А.С., Синицын В.А. Математическое моделирование процессов сажевыделения и радиационного теплообмена в дизелях // Сб. науч. тр ЛПИ /Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС. - Л., 1986. - №412. - С.23-29.

8. Батурин С.А., Макаров В.В., Лоскутов А.С. Феноменология химизма процесса результирующего сажевыделения в дизелях // Сб. науч. тр ЛПИ. Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС. - Л., 1985. - №411. -С.52-55.]

9. Hiroyasu H., Kadota T., Arai M. Development and use of a spray combustion modeling to predict diesel engine efficiency and pollutant emissions

(Part 1: Combustion modeling) 11 Bulletin of the JSME. - 1983. - №26. - P.569-575.

10. Кулешов A.C. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-2/4т. Описание математических моделей, решение оптимизационных задач. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - 69 с.

11. Khan I.M., Greeves G. A method for calculating and combustion of soot in diesel engines // Heat transfer in flames / Eds. N.M.Afgan, J.M.Beer. -New York: John Wiley & Sons, 1974. - P.381-404.

12. Khan I.M., Greeves G., Wang C.H.T. Factors Affecting Smoke and Gaseous Emissions from Direct Injection Engines and a Method of Calculation // SAE Paper. - 1973. - No730169 - 23 p.

13. Lindstedt R.P. Simplified soot nucleation and surface growth steps for no premixed flames // Soot formation in Combustion / Eds. H.Bockhorn. - Berlin: Springer-Verlag, 1994.-P. 157-171.

14. Tao F., Golovitchev V.I., Chomiak J. A Phenomenological Soot Model for the Prediction of Soot Formation in Diesel Spray Combustion // Combustion and Flame. - 2002. - № 5. - 17 p.

15. Neoh K.G., Howard J.B., Sarofim A.F. Effect of oxidation on the physical structure of soot // 20th Symposium (International) on Combustion. -Pittsburgh (PA). - 1974. - P.951-957.

16. Kazakov A., Foster D.E. Modeling of soot formation during DI diesel combustion using a multi-step phenomenological model // SAE Paper. - 1998. -№982463.- 15 p.

17. Hardenberg H., Albreht H. Grenzen der Ruf3massnbestimmung aus optischen Transmessungen // MTZ: Motortechn. Z. - 1987. - № 2. - S. 51-54.

18. Мищенко А. И., Белогуб А. В., Савицкий В. Д. Применение водорода для двигателей автомобильного транспорта// Атомно-водородная энергетика и технология: Сб.статей. Вып.8.-М.:Энергоатомиздат, 1988. С. 115-135.

19. Матиевский Д.Д., Вагнер В.А. Осуществление присадок водорода к топливу и их влияние на показатели работы двигателя //Двигателестроение.-1985.-№2.-С.53-56.

20. Серебренников В.А., Батурин С.А., Румянцев В.В. Опыт применения присадок пароводородной смеси в транспортном дизеле//Двигателестроение,-1982.-No 2.-С.41 -44.

21. Семенов H.H. Развитие теории цепных реакций и теплового воспламенения. - М.: Знание, 1969. - 94 с.

22. Method of operating catalitic ignition engines and apparatus therefore. Пат. 4811707 США. MKH4F02B 51/02/ Pfefferle William C. № 895468; Заявл. 08.12.86; Опубл. 14.03.89; НКИ 123/272.

23. Precombustion chambers containing catalyst. Crowther Philip, Aubery Ihornton; BL Cars Ltd. Заявка 2097856, Великобритания. Заявл. 26.03.81. № 8109537; Опубл. 10.11.82. МКИ4 F 02В 51/02, F 02В 23/02, НКИ F 1В.

24. И.П.Васильев, В.А.Звонов, П.Н.Гавриленко. Улучшение показателей дизеля применением турбулизаторов в КС с каталитическим слоем. // - М. Двигателестроение. - 1990. - № 11. - С. 47 - 49.

25. Камера сгорания с катализатором: Заявка 6424112 Япония. МКИ4 F 02В 23/00 / Исихама Дзюн; К.К. Ниигата Тэккосе. № 62 - 177547; Заявл. 16.07.87; Опубл. 26.01.89 / Кокай Токке Кохо. Сер. (5) - 1989 -7. - С. 55 - 57. -Яп.

26. A.c. 4388919 /25 - 06 СССР МКИ4 F 02 В 23/00. Двигатель внутреннего сгорания / И.П.Василъев, В.А.Звонов и др. Опубл. 15.09.90. Бюл. №34.

27. Фомин В.М., Реда Н.Ф., Аполлинер Н.С. Исследование рабочего процесса дизеля с внутрицилиндровой каталитической конверсией топлива.//Совершенствование мощности, эконом, и эколог, показателей ДВС: Материалы III науч.-практич. семинара.-Владимир, 1993. - С.82-84.

28. Фомин В.М. Пути совершенствования эколого-экономических показателей дизелей// Автомобильные и тракторные двигатели. Межвузовский сб. науч. трудов: Вып. XVI. - 1999. С.54-60.

29. Каменев В.Ф., Корнилов Г.С., Фомин В.М. Термохимическое преобразование топлива в системах питания энергетических установок автотранспортных средств.- М.: Изд-во НАМИ, 2002.- 152 с.

30. Г.И.Голодец. К вопросу о факторах, определяющих каталитическую активность металла в окислительных реакциях. // Катализ и катализаторы. : Сб. научн. Тр. АН СССР. - Киев. - 1966. - Вып. 11. - С. 108 -111.

31. А.В.Макунин, С.И.Сердюков, М.С.Сафонов. Процесс паровой конверсии метана на оксидных никель-циркониевых каталитических покрытиях. Нефтехимия. - № 5. - 1996. - С. 34 - 37.

32. Фомин В.М., Халед A.A., Носков Н.И. Способ работы четырехтактного дизеля / Патент РФ 2175396. - 2001.

33. Фомин В.М., Корнилов Г.С., Каменев В.Ф. Рабочий процесс дизеля с двухстадийным циклом топливоподачи //Автомобильная промышленность.-2004.-№4.-С.11-13.

34. Фомин В.М. Совершенствование показателей дизеля с двухстадийным циклом топливоподачи // Тракторы и сельскохозяйственные машины.-2003.-№9.-С.11-15.

35. Фомин В.М. Системы химического воздействия на параметры рабочего процесса дизеля // Тракторы и сельскохозяйственные машины.-2003,-№10.-С.11-15.

36. Фомин В.М., Савастенко A.A., Реда Н.Ф. Экспериментальное изучение влияния добавок к топливу продуктов его плазмохимической переработки на сажесодержание ОГ дизеля // Вестник РУДН. Тепловые двигатели,-1996,- №1,- С.78-81.

37. Фомин В.М., Иванов P.A. Улучшение эколого-экономических показателей дизеля применением термохимической переработки части

топлива, поступающего в цилиндры // Проблемы теории и практики инженерных исследований. - Сб. научн. трудов. - М.: Изд-во АСВ, 1988.-С. 199-200.

38. Фомин В.М., Носков Н.И., Халед А.Г. Улучшение экологических показателей дизелей на основе предварительной термохимической переработки топлива// Автомобильные и тракторные двигатели: Межвузовский сб. научн. Трудов. -Вып.ХУ.-1999. - С. 102-108.

39. Фомин В.М., Имад М. Аль-Джунейда. Добавление к основному заряду дизеля продуктов газификации биомассы как метод снижения токсичности отработавших газов // Проблемы теории и практики в инженерных исследованиях. - Сб. научных трудов. - М.: Изд-во АСВ, 1998. -С. 204-206.

40. Фомин В.М., Маслов Ю.Л. Исследование экологических характеристик дизеля, работающего с добавками к воздушному заряду продуктов синтеза древесины // Совершенствование мощностных, экономических и токсических характеристик ДВС. - Tp.VII Международ, науч.-практич. семинара. -Владимир, 1999. -С.76-79.

41. Каменев В.Ф., Фомин В.М., Хрипач Н.А. Теоретические и экспериментальные исследования работы двигателя на водородно-топливных композициях // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE).- №7,- 2005,- C.32-42.

42. Фомин B.M., Хрипач Н.А. Двигатель, работающий на смеси дизельного и водородного топлив // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006,- №5,- С.31-37.

43. Малышенко С.П., Назарова О.В. Аккумулирование водорода//Атомно-водородная энергетика и технология. -Сб статей. Вып.8.-М.:Энергоатомиздат, 1988.-С.155-205.

44. Fomin V.M. and Makunin A.V. Thermo chemical recovery of heat contained in exhaust gases of internal combustion engines (a general approach to the problem of recovery of heat contained in exhaust gases) // Theoretical

f

foundations of chemical engineering.-Vol.43.-No5.-2009.-P.p.834-840.

45. Фомин B.M., Каменев В.Ф., Хрипач H.A. Повышение эффективности работы ДВС применением термохимической регенерации теплоты отработавших газов // Проблемы энергоаккумулирования и экологии в машиностроении. Сб.научн.тр..-М.: Изд. ИНМАШ РАН, 2003.- С. 156-170.

46. Фомин В.М., Сидоров М.И. Метод регенерирования энергии ОГ дизеля, работающего совместно с системой конверсии метанола//Материалы международн. симпозиума. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана.- 2005.- С.140-142.

47. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач H.A. Совершенствование рабочего цикла ДВС с принудительным зажиганием и термохимической регенерацией отводимой теплоты//Материалы международн. симпозиума. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана.- 2005.- С. 142-144.

48. Лушпа А.И. Основы химической термодинамики и кинетики химических реакций. - М.: Машиностроение, 1991. -240 с.

49. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач H.A. Анализ влияния продуктов конверсии жидких углеводородных топлив на топливно-экономические и экологические показатели двигателя // Автомобильные двигатели,- Сб. научных трудов. -М.: ГНЦ РФ-ФГУП «НАМИ».- 2005,- С.80-88.

50. Галышев Ю.В. Анализ перспективы создания водородных двигателей // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE. - 2005. - №2 (22). C. 19-23.

51. Фомин B.M.. Шевченко Д.В., Рамзи Х.Ю. Роль водорода как химического реагента в кинетическом механизме углеродообразования в дизеле//Вестник РУДН.-2011.-№3.-С.91-99.

52. Фомин В.М.. Шевченко Д.В., Хакимов P.P. . Водород как химический реагент в кинетическом механизме образования углерода в дизеле//Транспорт на альтернативном топливе.-2011.- №3(21).- С. 10-14.

53. Когарко С.М., Басевич В.Н. Промотирование горения распыленного топлива //Физика горения и взрыва.1977.-Т.13.-№ 2.-С.275-237.

t

54. Perez J.M., Lipari F., Seizinger D.E. Cooperative development of analytical methods for diesel emission and particulates // SAE Paper. - 1984. -№840413. —22 p.

55. Тавгер М.Д., Груздев B.H., Талантов A.B. Влияние активных частиц на процессы горения // Электрофизика горения.-1979.-С.45-48.

56. О выходе атомарного водорода в процессе горения метано - и водородных воздушных смесей/ JI.A. Гуссак, О.Б. Рябиков, Г.Г. Политенкова, Г.А. Фурман//Изв. АН СССР, Сер. Химическая. - 1974. - № 2. - С.479 - 481.

57. Галышев Ю.В. Расчетный анализ ограничений и перспективных решений при создании водородных двигателей // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2006. №5. С. 165-171.

58. Гусаков С.В., Шарипов А.З., Меньших А.А. Улучшение экологических показателей автомобильного двигателя с искровым зажиганием в период прогрева после холодного пуска//Вестник РУДН. Серия Инженерные исследования.- 2011.-№3.- С.60-67.

59. Ingemar Gottberg. Electrically-Heated Catalysts and Reformulated Gasoline// SAE paper 930385.-1993,- Pp. 14-27.

60. Justin Fulton. Hydrogen for cold starting and catalyst heating in a methanol vehicle // SAE.- 1995,- №951956.-Pp. 2-12.

61. John E. Kirwan, Ather A. Quader, M. James Grieve. Fast Start-Up On-Board Gasoline Reformer for Near Zero Emissions in Spark-Ignition Engines// SAE Technical Paper Series No. 2002-01-1011.-Pp. 12-25.

62. Kazakov A., Foster D.E. Modeling of soot formation during DI diesel combustion using a multi-step phenomenological model // SAE Paper. - 1998. -№982463,- 15 p.

63. Tao F., Golovitchev V.I., Chomiak J. A. Phenomenological Soot Model for the Prediction of Soot Formation in Diesel Spray Combustion // Combustion and Flame. - 2002. - № 5. - 17 p.

64. Neoh K.G., Howard J.B., Sarofim A.F. Effect of oxidation on the physical structure of soot // 20th Symposium (International) on Combustion. -Pittsburgh (PA). - 1974. - P.951-957.

65. Hiroyasu H., Kadota Т., Arai M. Development and use of a spray combustion modeling to predict diesel engine efficiency and pollutant emissions (Part 2: Combustion modeling) // Bulletin of the JSME. - 1983. - №26. - P.576-583.

66. Hardenberg H., Albreht H. Grenzen der Ru(3massnbestimmung aus optischen Transmessungen // MTZ: Motortechn. Z. - 1987. - № 2. - S. 51-54.

67. Кулешов A.C. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-2/4т. Описание математических моделей, решение оптимизационных задач. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - 69 с.

68. Alkidas A.C. Relationship between smoke measurements and particulate measurements // SAE Paper. - 1984. - No 840412. - 9 p.

69. Филипосянц Т. P., Иванов А. Г. К вопросу об ускоренных методах контроля и доводки дизелей по экологическим параметрам // Экология двигателя и автомобиля: Сб. научн. тр. НАМИ. - М., 1998. - С. 1925.

70. Muntean G.G. A theoretical model for the correlation of smoke number to dry particulate concentration in diesel exhaust //SAE paper. - 1999. - No 1999-01-0515.-9 p.

71. Stanmore B.R., Brilhac J.F., Gilot P. The oxidation of soot: a review of experiments, mechanisms and models. // CARBON. - 2001. - №39. - P.2247-2268.

72. Кульчицкий A.P. Расчетно-экспериментальное определение выброса дисперсных частиц с отработавшими газами дизелей // Двигателестроение.- 2005,- №4. - с.39-44.

73. Парсаданов И.В. Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе топливно-экологического критерия. - Харьков: Изд. центр НТУ «ХПИ», 2003. - 244 с.

74. Кульчицкий А.Р., Коротнев А.Г., Петров B.J1. Эмиссия углеводородов с отработавшими газами дизелей // Двигателестроение,- 2000.-№2.- с. 37-39.

75. Яковлев В.М. Математическая обработка результатов исследования. М.: Физматиздат, 1988.-480 с.

76. Преображенский В.Н. Теплотехнические измерения и приборы .М.: Энергия, 1998.-703 с.

77. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1900.-215 с.

78. Касандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдения. М.:Наука,1990.-104 с.

79. Regulation No 96. Uniform provision concerning the approval of compression ignition (C.I.) engines to be installed in agricultural and forestry tractors with regard to the emissions of pollutants by the engine. - United Nations Economic and Social Council Economic Commission for Europe Inland Transport Committee Working Party on the Construction of Vehicles. - E/ECE/TRANS/505. - 109 p.

80. ГОСТ P 41.96 - 2005 (Правила ЕЭК ООН №96) Единообразные предписания касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторов и внедорожной техники, в отношении выброса вредных веществ этими двигателями. - Введ. 2008.01.01. - Издание офиц. М.: Стандарт информ, 2005. -108 с.

81. Казанская А.С., Скобло В.А. Расчеты химических равновесий. Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая Школа, 1984. - 288 с.

82. Кондратьев В.М. Константы скорости газофазных реакций: Справочник. М.: Наука, 1991.-351 с.

83. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1989. - 432 с.

84. Khan I.M., Greeves G. A method for calculating and combustion of soot in diesel engines // Heat transfer in flames / Eds. N.M.Afgan, J.M.Beer. - New York: John Wiley & Sons, 1974. - P.381-404.

85. Khan I.M., Greeves G., Wang C.H.T. Factors Affecting Smoke and Gaseous Emissions from Direct Injection Engines and a Method of Calculation // SAE Paper. - 1973,- No730169 - 23 p.

86. Lindstedt R.P. Simplified soot nucleation and surface growth steps for nonpremixed flames // Soot formation in Combustion / Eds. H.Bockhorn. - Berlin: Springer-Verlag, 1994.-P. 157-171.

87. Tao F., Golovitchev V.I., Chomiak J. A Phenomenological Soot Model for the Prediction of Soot Formation in Diesel Spray Combustion // Combustion and Flame. - 2002. - № 5. - 17 p.

88. Neoh K.G., Howard J.B., Sarofim A.F. Effect of oxidation on the physical structure of soot // 20th Symposium (International) on Combustion. - Pittsburgh (PA). - 1974.-P.951-957.

89. Muntean G.G. A theoretical model for the correlation of smoke number to dry particulate concentration in diesel exhaust // SAE paper. - 1999. - No 1999-01-0515.-9p.

90. Neoh K.G., Howard J.B., Sarofim A.F. Effect of oxidation on the physical structure of soot // 20th Symposium (International) on Combustion. - Pittsburgh (PA). - 1974.-P.951-957.

91. Kazakov A., Foster D.E. Modeling of soot formation during DI diesel combustion using a multi-step phenomenological model // SAE Paper. - 1998. -№982463,- 15 p.

92. Tao F., Golovitchev V.I., Chomiak J. A Phenomenological Soot Model for the Prediction of Soot Formation in Diesel Spray Combustion // Combustion and Flame. - 2002. - № 5. - 17 p.

93. Nagle J., Strickland-Constable R.F. Oxidation of carbon between 10002000 oC. // Proceedings of the 5th Carbon conference. - 1962. - №1. - P.265-325.