Разработка системы мониторинга и нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания в местах их настройки, обкатки и регулировки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Гхеллаб Яхья

• Гхеллаб Яхья
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Гхеллаб Яхья

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

1.1 Состав выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания

1.1.1 Первичные загрязнители

1.1.2 Вторичные загрязнители

1.2 Средства уменьшения загрязнений окружающего воздуха от двигателей внутреннего сгорания

1.2.1 Нейтрализация отработавших газов ДВС

1.2.2 Каталитический нейтрализатор отработавших газов ДВС

1.2.3 Пламенный нейтрализатор отработавших газов ДВС

1.2.4 Термический нейтрализатор отработавших газов ДВС

1.2.5 Жидкостный нейтрализатор отработавших газов ДВС

1.2.6 Селективное каталитическое восстановление

1.2.7 Рециркуляция отработавших газов ДВС

1.2.8 Мобильные фильтры выхлопных газов ДВС

1.2.9 Приточная вентиляция у источника загрязнения

1.3 Системы дистанционного мониторинга выбросов загрязняющих веществ

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2 Разработка системы нейтрализации выхлопных газов ДВС

2.1 Разработка метода и средств нейтрализации выхлопных газов ДВС

2.2 Программа и методика экспериментальных исследований

2.3 Применяемое оборудование и программное обеспечение

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3 Результаты экспериментальных исследований

3.1 Определение численных значений основных компонентов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания автомобильного транспорта

3.2 Нейтрализация выхлопных газов в водном резервуаре

3.3 Лабораторные испытания проб воды

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4 Разработка системы дистанционного мониторинга выхлопных газов ДВС в замкнутых помещениях

4.1 Структурно-функциональная схема системы дистанционного мониторинга

4.1.1 Сенсор CO2

4.1.2 Модуль принятия решений

4.2 Программное обеспечение для комплексной системы мониторинга выхлопных газов

4.3 Алгоритм работы сервера модуля принятия решений

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Листинг кода Сенсора CO2

Приложение 2. Листинг кода модуля принятия решений

Приложение 3. Листинг кода серверного приложения модуля принятия решений server/index.ts

Приложение 4. Листинг кода реализации API серверного приложения модуля принятия решений pages/api

Приложение 5. Листинг кода модуля Во,№ИватрН^ серверного приложения модуля принятия решений НЬЛиЬЛб

Приложение 6 Протоколы лабораторных испытания проб воды до и после нейтрализации выхлопных газов

Приложение 7 Модель предиктивной аналитики

Приложение Тексты публикаций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы мониторинга и нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания в местах их настройки, обкатки и регулировки»

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы исследования. Загрязнение окружающей среды является глобальной проблемой, присущей как развитым, так и развивающимся странам, что привлекает внимание людей своими серьезными долгосрочными последствиями. Об ухудшении качества окружающей среды в результате загрязнения свидетельствует потеря растительности, биологического разнообразия, чрезмерное количество вредных химикатов в окружающей атмосфере и пищевых зернах, а также растущие риски экологических катастроф и угроз для систем жизнеобеспечения [1].

Источники загрязнения территорий городских застроек можно разделить на две основные группы: природные и антропогенные. Природные (естественные) источники загрязнения связаны с природными процессами и явлениями. К загрязняющим веществам, выделяемым природными источниками, относят: пыль растительного, животного и вулканического происхождения, пыль, возникающую при эрозии почвы, частицы морской соли, туман, дымы и газы от лесных пожаров. Антропогенные (искусственные) источники загрязнения, обусловленные деятельностью человека, подразделяются на транспортные (автотранспорт, железнодорожный транспорт, речной и морской транспорт, воздушный транспорт), производственные (различные технологические процессы), бытовые (котельные, предприятия по утилизации и переработке бытовых отходов). Загрязняющими веществами данной категории источников загрязнения являются: СО - оксид углерода, СО2 - диоксид углерода, НС - углеводород, КОх - оксиды азота, БО2 - диоксид серы и др [2].

Нежелательные продукты, выделяемые двигателями внутреннего сгорания (ДВС) - один из основных факторов, влияющих негативно на качество воздуха, здоровье человека и на глобальное потепление климата. Вредные составы газов,

попадающих в атмосферу, имеют разный химический набор элементов или их соединений. Совокупные выбросы загрязняющих атмосферу веществ от передвижных источников в России в 2019 году составили 5,4 млн тонн. Доля загрязняющих веществ от автомобильного транспорта составила 97,3% от общего объема выбросов в стране в 2019 году [3].

Согласно последним данным Национального статистического управления Алжира, в 2019 году национальный автомобильный парк составлял 861 837 автомобилей. Распределение национального подвижного состава по возрастным группам транспортных средств показывает, что количество автомобилей в возрасте до 5 лет достигло 276 425 единиц (32,07% от общего парка), от 5 до 9 лет до 241 080 единиц (27,97%), от 10 до 14 лет в возрасте 128 197 (14,87%), от 15 до 19 лет в 68 723 единицах (7,97%), в возрасте 20 лет и старше - 147 412 (17,10%). Что касается используемых видов топлива, орган государственной статистики подтверждает, что бензин является наиболее важным источником энергии для транспортных средств с долей 65,67% по сравнению с 34,33% для дизельного топлива [109]. Статистика показывает высокую долю автомобильного транспорта с периодом эксплуатации свыше 10 лет, также стоит отметить влияние пандемии COVID-19, последствия которой негативно отражаются на финансовом положении населения многих стран и резком падении спроса на использование общественного транспорта. Указанные факторы приводят к повышению спроса на дешевый автотранспорт с большим сроком эксплуатации, требующий зачастую капитальное сервисное обслуживание [110].

Изучение загрязнения воздуха направлено на понимание его особенностей, чтобы максимально ограничить его последствия [4]. Основные направления исследований в области контроля, мониторинга и сокращения выбросов загрязняющих веществ из автомобильных двигателей внутреннего сгорания связаны с таким направлениям, как нейтрализация отработавших газов (каталитическая, пламенная, термическая, жидкостная и др.), разработка и внедрение систем рециркуляции отработавших газов двигателя автомобиля, разработка новых систем фильтрации выхлопных газов, разработка систем

приточной вентиляции у источника загрязнения, системы типа «Старт-Стоп», разработка мобильных систем мониторинга концентрации выхлопных газов и др. [5-11].

Результаты исследований и внедрение новых систем сокращения выбросов выхлопных газов оказали положительное влияние на уменьшение концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, например, в 2018 году объем выбросов парниковых газов от промышленного сектора снизился на 14,2% по сравнению с 1990 годом, но увеличился на 4,6% относительно 2017 года [3].

Одними из основных компонентов выхлопных газов ДВС являются оксид углерода - CO и диоксид углерода - CO2. Средняя концентрации оксида углерода (СО) за 2018 год снизились на 16 %, а суммарные выбросы от стационарных и передвижных источников увеличились на 7 % [112]. Наиболее актуальные данные по объемам CO2 в страновом разрезе представлены в ежегодном отчете «BP Statistical Review of World Energy - Статистический обзор мировой энергетики» (далее — ВР). По данным BP, совокупный объем выбросов диоксида углерода в мире в 2019 году достиг 34,2 млрд т, увеличившись на 1,1%. Наибольший вклад в увеличение объема выбросов внесли страны с развивающейся экономикой (+2,4%), в то время как страны Европейского союза (с учетом Великобритании) сократили выбросы на 3,9% [3].

Среди выбросов в атмосферу, которые влияют на экономическое и экологическое развитие мира, следует выделить парниковые газы (в основном диоксид углерода и метан) и загрязняющие вещества (твердые взвешенные частицы, угарный газ и др.) [12].

В связи с вышеизложенным работы по мониторингу и уменьшению концентрации выхлопных газов ДВС, а также их негативного воздействия на окружающую среду остаются актуальными.

Степень разработанности темы исследования. Среди исследователей вопрос контроля и снижения выбросов выхлопных газов от автомобилей можно выделить работы М. Кёстерс, Й. Аддо-Менсах, Б. Хамада, Т. Дюстердик, Ф. Пириц, Али Кескин, Р. Венкатешвара, Ю. Кодзима, Р. Балян, Джеймс А., К. Рейт,

Г.Х. Абдаллах, Джейсон Ли, Н. А. Поздняков, Т. А. Варфоломеева, А. Г. Кочарян, А. А. Черепанов, З.Я. Тухватуллин, А.А. Макаров, А.П. Шерстобитов, К.Н. Войнов и др. Следует отметить, что все разработки или методы нейтрализации выхлопных газов ДВС, представленные в работах перечисленных ученых, имеют ряд недостатков, а именно пространство, необходимое для систем доочистки выхлопных газов, высокие капитальные и эксплуатационные затраты, образование других выбросов (проскок КИ3) и образование нежелательных частиц, которые могут привести к отравлению и дезактивации. Также современные системы типа «Старт-Стоп» используется только на автомобилях с автоматической коробкой передач. Следует отметить, что до настоящего времени не проводились исследования по контролю, сокращению и нейтрализации выхлопных газов в замкнутых помещениях, таких как станции технического обслуживания автомобилей.

Среди исследователей вопросами мониторинга выбросов выхлопных газов от автомобильного транспорта можно выделить работы К. К. Хедо, Р. Персидосс, А. Мунгур, Р. Норт, М. Ричардс, Д. Коэн, Н. Хуз, Д. Хассард, Д. Полак, В. Джеличич, М. Маньо, Д. Пачи, Д. Брунелли, Л. Францини, Г. Барренетчеа, Г. Шефер, М. Веттерли, Е. Г. Цыплакова. Следует отметить, что предлагаемые авторами системы мониторинга выбросов выхлопных газов, как правило, дорогие, также имеют ограничения по месту использования и монтажу из-за их принципа действия. Также следует отметить, что в рассмотренных исследованиях не подробно описаны вопросы, связанные с потреблением энергии и выбором датчиков.

В диссертационной работе рассматривается возможность применения базовых принципов нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а также систем мониторинга окружающей среды в замкнутых помещениях без применения специального дорогостоящего оборудования.

Объект исследования: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания автомобильного транспорта.

Предмет исследования: система мониторинга и методика нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания автомобильного транспорта, а также оценки текущего и прогнозируемого их вклада в изменение качества окружающей среды в местах настройки, обкатки и регулировки.

Целью работы является повышение безопасности работы в местах настройки, обкатки и регулировки двигателей внутреннего сгорания, за счет внедрения комплексной системы мониторинга и нейтрализации выхлопных газов. Задачи исследования:

1. Изучить величины выбросов основных загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух с выхлопными газами автомобильного транспорта.

2. Провести анализ существующих методов и средств нейтрализации загрязняющих веществ выхлопных газов автомобильного транспорта, а также систем экологического мониторинга.

3. Научно обосновать методику и способ снижения и нейтрализации загрязняющих веществ выхлопных газов автомобильного транспорта и улучшения качества атмосферного воздуха.

4. Разработать алгоритмическое и аппаратное обеспечение, позволяющее производить мониторинг величины выбросов основных загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух с выхлопными газами автомобильного транспорта в местах их ремонта, настройки, обкатки и регулировки.

5. Провести экспериментальную апробацию разработанной системы мониторинга и способа нейтрализации выхлопных газов.

Научная новизна:

1. В диссертации предложена методика нейтрализации выхлопных газов автомобильного транспорта в местах их ремонта, настройки, обкатки и регулировки, обеспечивающая повышение безопасности проводимых работ в замкнутых помещениях.

2. Предложены алгоритмы мониторинга и прогнозирования концентрации вредных веществ выхлопных газов автомобильного транспорта в местах ремонта, настройки, обкатки и регулировки. Теоретическая и практическая значимость работы

Предложена методика нейтрализации выхлопных газов и система мониторинга окружающей среды, позволяющие повысить безопасность работы в местах настройки, обкатки и регулировки двигателей внутреннего сгорания.

Полученные результаты могут быть использованы при внедрении систем безопасности на станциях технического обслуживания автомобильного транспорта, обеспечивающих нейтрализацию и мониторинг выхлопных газов ДВС.

Методы исследования. При получении основных результатов в диссертационной работе использовались методы, включающие теоретические исследования и экспериментальную проверку полученных результатов. Экспериментальные исследования проводились на компьютеризированной установке, включающей газоанализатор «Инфракар М-1.02», подключенный к персональному компьютеру с применением разработанных программно -аппаратных средств с использованием статических методов обработки результатов.

Соответствие паспорту специальности: работа соответствует п. 4 области исследований паспорта специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий «разработка методического, технического, приборного и информационного обеспечения для локальных, региональных и глобальных систем экологического мониторинга природных и техногенных объектов», а также п. 6 «разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».

Положения, выносимые на защиту:

1. Предлагаемый способ нейтрализации загрязняющих веществ выхлопных газов автомобильного транспорта позволяет снизить концентрацию вредных веществ на станциях технического обслуживания до значений, регламентированных общими санитарно-гигиеническими требованиями к воздуху рабочей зоны.

2. Результаты экспериментальных исследований нейтрализации выхлопных газов доказали эффективность жидкостной нейтрализации вредных веществ, выделяемых ДВС в местах их ремонта, настройки, обкатки и регулировки.

3. Программно-аппаратное оснащение автоматизированной системы мониторинга выхлопных газов ДВС в местах их ремонта, настройки, обкатки и регулировки позволяет повысить безопасность работников станций технического обслуживания.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

Достоверность подтверждается согласованностью проделанного аналитического обзора, теоретических расчетов и результатов экспериментальных исследований способа жидкостной нейтрализации выхлопных газов ДВС, а также наличием публикаций в рецензируемых печатных изданиях. Апробация результатов работы:

Основные сведения диссертационного исследования предъявлялись на приведённых ниже научно-практических конференциях:

1. VI Конгресс молодых учёных, Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

2017. Доклад: Диагностический контроль газовыделений в атмосферу из промышленных предприятий и автомобилей.

2. VII Конгресс молодых учёных, Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

2018. Доклад: New effective method to reduce the harmful negative impact of the emission gases escaping from cars pipes.

3. VI Международной научно-практической конференции «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте», Санкт-Петербург, ПГУПС,

2018. Доклад: Новые варианты технологий по защите окружающей среды на железнодорожном транспорте.

4. VIII Конгресс молодых учёных, Санкт-Петербург, Университет ИТМО,

2019. Доклад: Protection against exhaust gases of vehicles.

5. 75-я научная конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов университета на секции строительной механики, Санкт-Петербург, университет ГАСУ, 2019. Доклад: Улавливание и нейтрализация канцерогенных газов и выхлопов автомобилей в помещениях.

6. Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2021. Доклад: системы контроля и доочистки выхлопных газов

7. Х Конгресс молодых учёных, Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 2021. Доклад: Экспериментальные исследования по улавливанию и нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.

8. The 2nd International Conference on Advances in Civil and Ecological Engineering Research October 20-23, 2020, Online Conference. Доклад: Different aspects connected with the lubricants and harmful exhaust gases. Результаты работы использовались при выполнении следующих НИОКР:

1. НИОКР для подготовки магистрантов и аспирантов «Методы искусственного интеллекта для киберфизических систем», фонд учебной нагрузки Университета ИТМО. Личный вклад соискателя: заключается в постановке цели; формулировании задач; разработке методики нейтрализации выхлопных газов в местах настройки, обкатки и регулировки двигателей внутреннего сгорания; разработке системы мониторинга выхлопных газов в замкнутых помещениях, проведении экспериментов и обработке полученных результатов.

Данные о публикациях автора. Материалы диссертации опубликованы в 4 печатных работах, из них 1 статья в реферируемом издании трудов

международной конференции, индексируемом Scopus, 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основные материалы работы изложены на 94 страницах машинописного текста, в том числе содержат 14 таблиц, 53 рисунка, списка литературы из 112 наименований литературы и 7 приложений.

Содержание работы Во введении представлена актуальность исследования, степень разработанности темы исследования, объект и предмет исследования, цель работы, основные решаемые задачи, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, а также методы исследования, соответствие паспорту специальности, положения, выносимые на защиту и личный вклад соискателя.

В первой главе приведен подробный анализ существующей проблемы загрязнения окружающей среды различными загрязнениями. Правительства многих стран реализовали широкий спектр стратегий, направленных на преодоление быстро ухудшающегося качества окружающей среды. Как правило, ключевыми источниками загрязнений являются промышленный сектор (тепловые электростанции, плавильные заводы, цементные заводы, химическая промышленность), транспортный сектор, лесные пожары, использование бытового топлива и сжигание отходов. [103]

Загрязняющие вещества выхлопных газов ДВС можно разделить на первичные и вторичные. К основным первичным загрязнителям относят: взвешенные частицы (PM), оксид углерода CO, диоксид углерода CO2, углеводороды HC, оксиды азота NOx, и диоксид серы SO2. К основным вторичным загрязнителям относят: озон (O3), пероксиуксусный азотный ангидрид (CH3COO2NO2), азотную кислоту (HNO3). В результате проведенного анализа состава выхлопных газов, было зафиксировано процентное содержание компонентов выхлопных газов для ДВС, работающих на бензиновом и дизельном топливе. По результатам анализа было установлено, что содержание СО2 имеет

самый высокий процент в выхлопных газах. Следует отметить, что в закрытых помещениях содержание СО2 не должно превышать 0,5% [30]. Большие концентрации СО2 (свыше 10%) вызывают сильный ацидоз - снижение рН крови (повышение ее кислотности), бурную отдышку и паралич дыхательного центра, т. е. оказывают сильное токсическое действие на человека [28]. Всемирная организация здравоохранения заявляет, что ежегодно умирают 2,4 миллиона человек от причин, непосредственно связанных с загрязнением окружающего воздуха, причем 1,5 миллиона этих смертей связаны с загрязнением воздуха внутри помещений [77].

В подразделе 1.2 выполнен обзор существующих средств уменьшения загрязнений окружающего воздуха. Рассмотрены преимущества и недостатки следующих способов нейтрализации выхлопных газов ДВС: каталитический нейтрализатор [45-49], пламенный нейтрализатор [57], термический нейтрализатор [58], жидкостный нейтрализатор [98], системы рециркуляции отработавших газов двигателя автомобиля [68, 69], системы фильтрации выхлопных газов [74], системы приточной вентиляции [76]. Подробно рассмотрен метод жидкостной нейтрализации выхлопных газов, который является наиболее простым и экономичным способом физико-химического воздействия на выхлопные газы ДВС и заключается в пропускании выхлопных газов через слой рабочей жидкости или распыления в поток выхлопных газов. При этом вредные вещества в выхлопных газах растворяются или улавливаются [107]. В качестве рабочей жидкости используются вода или водные растворы химических реагентов. Вода интенсивно поглощает диоксид углерода, и диоксид азота, взвешенные частицы, ароматические углеводороды, оксиды серы, альдегиды и другие водорастворимые выхлопные газы [105]. В результате обзора сформулированы основные преимущества жидкостной нейтрализации выхлопных газов ДВС:

- возможность одновременного улавливания взвешенных частиц и нейтрализации токсичных газообразных и водорастворимых компонентов выхлопных газов;

- обеспечение нейтрализации выхлопных газов в начальный момент после пуска холодного двигателя;

- снижение интенсивности запаха выхлопных газов;

- снижение уровня шума выхлопа ДВС [105], [107], [108].

Однако в открытых источниках описано применение жидкостной нейтрализации только для автомобилей, работающих на дизельном топливе.

В разделе 1.3 рассмотрены системы дистанционного мониторинга загрязнения воздуха: система «MAQUMON», в которой используются движущиеся транспортные средства, оборудованные узлами датчиков, для мониторинга качества воздуха на большой территории [79], система WAPMS [80] для мониторинга загрязнения воздуха с помощью беспроводных датчиков, развернутых в большом количестве, «Интегрированная мобильная система экологического зондирования» [81] для поддержки управления транспортом и качеством городского воздуха, «система мониторинга качества воздуха в помещении» (IAQ) [82] с использованием сенсорной сети, и др.

В результате выполненного обзора были сформулированы следующие выводы: нейтрализация выхлопных газов в настоящее время приобретает все более значимый характер и не теряет своей актуальности, несмотря на наличие многочисленных работ в этой области. В настоящее время не существует единого подхода мониторингу и нейтрализации выхлопных газов на станциях технического обслуживания, позволяющие не только обеспечивать безопасность работы сотрудников, но и снижать пагубное воздействие на окружающую среду. Пандемия СОУГО-19 стимулирует продажи автомобилей с большим сроком эксплуатации, что приводит к увеличению спроса на сервисные работы ДВС. Жидкостная нейтрализация является наиболее простым и экономичным способом физико-химического воздействия на выхлопные газы ДВС, однако отсутствуют экспериментальные доказательства применимости данного подхода в местах обслуживания автомобильного транспорта.

Во второй главе представлен предлагаемый способ нейтрализации выхлопных газов в местах обкатки, регулировки и настройки работы двигателей

внутреннего сгорания. Суть способа жидкостной нейтрализации заключается в пропускании отработавших газов через слой воды, расположенной в специальном резервуаре в местах обслуживания автомобильного транспорта, при этом обеспечиваются: водорастворение компонентов отработавших газов (альдегиды, окислы серы), нейтрализация высших окислов азота, улавливание жидкостью сажевых и других дисперсных частиц. Схема комплексной системы нейтрализации выхлопных газов ДВС представлена на рисунке 1.

1 - автомобиль, 2 - выхлопная труба, 3 - шланг или труба для отвода выхлопных газов, 4 - резервуар, 5 - вода, 6 - крепление шланга (при транспортировке), 7 -люк, 8 - детектор диоксида углерода, 9 - автомобильный 4-х компонентный

газоанализатор «Инфракар М-1.02» Рисунок 1 - Схема нейтрализации и контроля выхлопных газов ДВС

Для подтверждения работоспособности предлагаемого способа была сформулирована программа и методика экспериментальных исследований с учетом требований ГОСТ Р 54942-2012 [22], ГОСТ 31861-2012 [23]. В методике определен объект исследования, произведен выбор и обоснование требуемого контрольного и вспомогательного оборудования, зафиксированы условия проведения экспериментов и их количество. Программа состоит из трех основных этапов.

На первом этапе были исследованы выхлопные газы ДВС автомобилей KIA ceed, OPEL Mokka и KIA sportage. При этом решалась задача определения

содержания СО2, СО и СН в выхлопных газах. Измерения проводились при выполнении следующих условий:

- согласно ГОСТ Р 54942-2012 проведение измерения выхлопных газов выполнялось при температуре окружающего воздуха от минус 7 °С до плюс 35 °С, и атмосферном давлении не ниже 92,0 кПа;

- перед началом измерений проверялась работоспособность двигателя и системы нейтрализации по показаниям диагностического индикатора, расположенного на приборной панели;

- при включении зажигания перед пуском двигателя диагностический индикатор должен находиться во включенном состоянии, либо включаться на короткий промежуток времени, и после пуска двигателя диагностический индикатор выключался;

- прогрев двигателя автомобиля до рабочей температуры моторного масла или охлаждающей жидкости, до температуры не ниже 60 °С;

- после прогрева двигателя вводился пробоотборный зонд газоанализатора в выпускную трубу автомобиля.

Перед проведением измерений проверялись и устанавливались нулевые показания газоанализатора по каналам измерения СО, СН, СО 2, О2, коэффициент избытка воздуха X. Измерения выполнялись в следующем порядке:

- запуск двигателя, увеличение частоты вращения коленчатого вала двигателя до ппов = 2000-2800 мин-1, выдержка установленного режима в течение 2-3 мин (при температуре окружающего воздуха ниже 0 °С - 4-5 мин). После стабилизации показаний проводилось измерение содержания СО2, СО и СН;

- снижение частоты вращения коленчатого вала двигателя до итт = 900 мин-1 и не ранее чем через 30 с, но не позднее чем через 60 с измеряют содержание СО2, СО и СН;

Измерения повторялись три раза, за результат измерения принимались максимальные средние значения содержания СО2, СО и СН. Полученные результаты сравнивались с нормативными значениями.

В результате выполнения измерений на первом этапе были определены численные значения содержания СО2, СО и СН в отработавших газах при работе двигателя в режиме холостого хода на минимальных nmin и повышенных ппов частотах вращения коленчатого вала двигателя.

Второй этап методики посвящен оценке влияния жидкостной нейтрализации выхлопных газов на концентрацию СО2, СО и СН в атмосфере. Определение содержания СО2, СО и СН после нейтрализации выхлопных газов в водном резервуаре проводили три раза при разных объёмах жидкости (25, 35 и 45 литров) следующим образом:

- направление выхлопных газов ДВС в жидкость, посредством соединения термостойким шлангом выхлопной трубы автомобиля с водным резервуаром;

- ввод пробоотборного зонда газоанализатора над поверхностью резервуара;

- пуск двигателя в режиме холостого хода и проверка герметичности шланга в месте его соединения с выхлопной трубой при помощи мобильного детектора СО2;

- измерение значения концентрации СО2, СО и СН над поверхностью жидкости.

В результате измерения на втором этапе были определены численные значения выхода СО2, СО и СН в атмосферу до и после нейтрализации.

На третьем этапе был проведен химический анализ состава жидкости до и после насыщения выхлопными газами, с целью определения мероприятий по ее очистке или утилизации. При этом были проведены: отбор проб воды при соблюдении требований стандартов, а также определены составы воды до и после насыщения выхлопными газами.

При проведении испытаний использовались следующие приборы и оборудование: автомобили KIA Ceed, OPEL Mokka и KIA Sportage, оснащенные бензиновыми ДВС, системами рециркуляции и нейтрализации выхлопных газов в различных вариантах комплектации; автомобильный четырех компонентный газоанализатор «Инфракар М-1.02» для измерения объемной доли оксида

углерода (СО), углеводородов (СН) (в пересчете на гексан), диоксида углерода (СО2), кислорода (О2), в отработавших газах; программное обеспечение «ИНФРАКАР-ГРАФИЧЕСКИЙ» версии 1.2.0.0, предназначенное для графического отображения и обработки показаний автомобильных анализаторов выхлопных газов «ИНФРАКАР»; детектор СО2 для проверки герметичности шланга за выхлопной трубой.

Третья глава посвящена проведению экспериментов и определению эффективности предлагаемого способа нейтрализации выхлопных газов ДВС в местах их настройки, обкатки и регулировки. Проведенные испытания двигателей автомобилей показали, что концентрация СО2 в помещении сократилась на 98,57% (с 14,02% до 0,2%), СО сократилась на 97,5% (с 0,04% до 0,001%) и СН сократилась на 83,05% (с 118 млн-1 до 20 млн-1). Полученные результаты проб воды доказали их безвредность для окружающей среды.

Согласно разработанной программе и методике экспериментальных исследований на первом и на втором этапе работ был зафиксирован состав выхлопных газов при минимальных оборотах двигателя (таблица 1), то есть на холостом ходу и при его повышенных оборотах.

Таблица 1 - Среднее значение СО2, СО и СН до и после нейтрализации выхлопных газов в объёме жидкости 25 л, 35 л, 45 л.

Время, мин Этап измерения Объём жидкости, л Среднее значение

СО% СН млн-1 СО2% О2% X

4 I 0 0,040 118 14,02 0,48 1,023

8 II 0 0,030 111 14,20 0,49 1,024

12 III 25 0,003 66 8,92 11,49 1,022

16 IV 35 0,002 45 3,44 15,18 0

20 V 45 0,001 20 0,20 19,83 0

Примечание: СО - оксид углерода; СН - углеводороды; СО2 - диоксид углерода; О2 - кислород; X - коэффициент избытка воздуха

На рисунке 2, рисунке 3, рисунке 4 приведены графики среднего значения CO2, СО и СН на каждом этапе эксперимента. После стабилизации показаний состава выхлопных газов, фиксируемых газоанализатором, выхлопные газы направлялись в резервуар, заполненный дистиллированной водой. На графике видно, что при добавлении определенного количества воды содержание СО2, СО и СН сокращаются. Постепенное добавление воды и соответственно увеличение уровня жидкости позволило понизить значение С02, СО и СН до допустимых, согласно ГН 2.2.5.2100-06 "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны" [104].

KIA ceed

OPEL mokka

: KIA sportage

16

§ 4

см 12

О

и

DC 10

14

0

2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

ВРЕМЯ / МИН

Рисунок 2 - График содержания СО2 в выхлопных газах до и после нейтрализации (допустимое содержание С02 - 0,5% (ГН 2.2.5.2100-06).

0.06

Ш ceed OPEL mokka KIA Sportage

Рисунок 3 - График содержания СО в выхлопных газах до и после нейтрализации (допустимое содержание СО - 0,0017% (ГН 2.2.5.2100-06)

140

ВРЕМЯ / МИН

Ш ceed OPEL mokka Ш sportage

Рисунок 4 - График содержания СН в выхлопных газах до и после нейтрализации

Перед началом экспериментальных работ по нейтрализации выхлопных газов был осуществлен забор проб воды, после проведения работ в течение четырех часов был осуществлен повторный забор пробы жидкости, насыщенной выхлопными газами. Далее пробы были направлены в лабораторию для оценки и

получения заключения о соответствии или несоответствии требованиям действующих гигиенических нормативов.

Полученные результаты показали изменения показателя рН, до и после насыщения выхлопными газами с 4,7 до 4,2, что объясняется химическими реакциями взаимодействия С02, СО и СН с водой (уравнения 1, 2, 3). В результате анализа протоколов измерений показателей воды можно сделать вывод, что вода имеет хорошие органолептические свойства, безвредна по своему химическому составу и безопасна в эпидемиологическом отношении, что позволяет ее утилизировать в общую канализационную систему без дополнительных процессов переработки и отчистки.

В четвертой главе приведено описание предлагаемой системы дистанционного мониторинга выхлопных газов ДВС в замкнутых помещениях. Как было показано выше, предлагаемый способ нейтрализации выхлопных газов позволяет эффективно бороться с выбросами С02, СО и СН, однако существует вероятность повышения концентрации вредных веществ выхлопных газов ДВС во время рабочей смены, связанной, например, с выбросами во время въезда и выезда автомобилей в местах их обслуживания, проверке состава выхлопных газов газовыми анализатором при проведении диагностики и других факторов.

В связи с этим в работе предложена система мониторинга выхлопных газов, позволяющая повысить безопасность работы в местах настройки, обкатки и регулировки двигателей внутреннего сгорания. Система мониторинга состоит из двух ключевых компонентов: сенсор СО2 и модуль принятия решений. На рисунке 5 представлена структурно-функциональная схема системы дистанционного мониторинга.

СО2 + Н2О ^ Н2СО3 СО + Н2О ^ СО2 + Н2 2СН + Н2О ^ СН3СНО

(1) (2) (3)

Модуль принятия решений

!г

I

Микрокомпьютер (Raspberyy Pi 3 Model В)

База Данных

I I I-

Назначение:

- Сбор данных с сенсора С02

• Сохранение данных в Базе Данных ■ Формирование рекомендаций по распределению обслуживания ТС

- Отправка рекомендаций системе управления

Рисунок 5 - Структурно-функциональная схема системы дистанционного

мониторинга

В основе сенсора CO2 лежит микроконтроллер NodeMCU v3 на базе ESP-12E. Данный микроконтроллер имеет возможность подключения к беспроводной сети Wi-Fi 2.4GHz и последующего взаимодействия с внешними устройствами или веб-сервисами. Измерение уровня CO2 происходит при помощи инфракрасного оптического датчика CO2 MH-Z19B. Датчик имеет диапазон измерений от 0 до 5000 (ppm), что является приемлемым показателем для рассматриваемого применения. Время первичной калибровки до трех минут. Для сохранения полученных значений используется модуль карты памяти, который представляет собой слот для карты памяти MicroSD, подключенный к микроконтроллеру по интерфейсу SPI. Для осуществления регулярного опроса датчика CO2 и отправки данных на сервер используется модуль часов реального времени (RTC) - DS1307. Данный модуль обеспечивает бесперебойный подсчет времени благодаря независимому питанию от батареи CR2032 даже в случае отключения питания сенсора CO2. Обмен данными с микроконтроллером осуществляется по интерфейсу I2C.

Второй компонент разработанной системы представляет собой модуль принятия решений и выполняет роль основного обработчика данных, полученных с сенсора CO2, целью которого является мониторинг и прогнозирование величины

выбросов углекислого газа, а также формирование рекомендаций для оптимального распределения во времени сеансов обслуживания автомобилей, требующих продолжительной работы двигателя и выбросов выхлопных газов на станции технического обслуживания.

На рисунке 6 представлен внешний вид аппаратной части предлагаемой системы мониторинга.

Рисунок 6 - Внешний вид аппаратной части предлагаемой системы мониторинга

На рисунке 7 представлена схема расположения системы мониторинга в местах ремонта, настройки, обкатки и регулировки ДВС.

Рисунок 7 - Схема расположения системы мониторинга в местах ремонта, настройки, обкатки и регулировки ДВС

На рисунке 8 представлен график, получаемый непосредственно с системы мониторинга. Интерфейс системы позволяет отслеживать тренд изменения концентрации С02, изменять интервалы показаний, выдавать рекомендации для обслуживающего персонала (проветрить помещение, покинуть помещение и т. д.), проводить анализ данных с разных участков, станций технического обслуживания, территориально удаленных друг от друга.

5 232021 905.2021

2,000

Рисунок 8 - Тренд концентрации CO2

В заключении представлены основные результаты работы, сформулированы выводы и рекомендации по внедрению системы нейтрализации и мониторинга выхлопных газов ДВС в местах их ремонта, настройки, обкатки и регулировки.

Публикации автора по теме диссертации

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1. Esbulatova A.Z., Voinov K., Nasr T., Ghellab Y., Belili O. Different aspects connected with the lubricants and harmful exhaust gases//IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021, Vol. 626, No. 1, pp. 012002

В изданиях из списка ВАК РФ:

1. Войнов К.Н., Гхеллаб Я., Васильев В. А. Методика технической диагностики окружающей среды в условиях её загрязнения автомобильными газами // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки -2018. - № 1. - С. 11-14

2. Войнов К.Н., Хилдаяти А., Гхеллаб Я. Обеспечение надежной комплексной защиты среды обитания от канцерогенных газов // Надежность -2018. - Т. 18. - №

2. - С. 46-49

3. Войнов К.Н., Наср Т.А., Белили М., Хилдаяти А., Гхеллаб Я. Результаты метрологического контроля газовыделений и их компьютерная обработка // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ -2018. - № 9. - С. 99-103

В прочих изданиях:

1. Гхеллаб Я. Экспериментальные исследования по улавливанию и нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых Университет ИТМО - 2021

2. Войнов К.Н., Гхеллаб Я., Белили М. Новые варианты технологий по защите окружающей среды на железнодорожном транспорте // Техносферная и экологическая безопасность на транспорте (ТЭБТРАНС- 2018): материалы VI Международной научно-практической конференции (СПб, 24-26октября 2018г.) -2019. - С. 44-47.

3. Voinov K.N., Hildayati A., Ghellab Y. New Effective Way to Protect our Air against Gases from Plants, Boiler-Houses and Cars//Global Journal of Researches in Engineering, 2017, Vol. 17, No. 4, pp. 55-59.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Гхеллаб Яхья

Заключение и выводы

Очерчена важная для очистки воздушной среды проблема, в частности, из-за больших выделяющихся при работе двигателей газов. В статье представлен и достаточно подробно описан новый метод очистки выхлопных газов в местах стационарной диагностики моторов, их настройки или ремонта в любых помещениях (ангары, гаражи, лаборатории, станции технического обслуживания и др.). Отражена суть методики очистки выхлопных газов и вспомогательный применяемый инструментарий, включая диагностическую измерительную аппаратуру. Описана модель отключения бесцельно работающего двигателя. Есть все основания полагать, что найдено эффективное техническое решение по защите воздушного бассейна и лиц, которые сохранят здоровье, так как в их лёгкие не будут попадать в теперешних объёмах канцерогенные выхлопные газы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гхеллаб Яхья, 2021 год

литература

1. Арджун Кришнан, Виджай К. Секар, Департамент машиностроения. Индийский технологический институт Мадрас. / Баладжи Дж., С. М. Боопати, Ашок Лейланд Лтд., Хосур, Тамил Наду.

2. Kuki Т., Miyairi Y., Kasai Y., Miyazaki M., Miwa S. Исследование надёжности фильтров сажевого типа с потолочным типом. SAE, 2004-01-0959.

3. Войнов К. Н., Васильев В. А., Хилдаяти А., Гхеллаб Я. Новый подход к снижению загрязнения воздуха // Трибология: Международная энциклопедия. СПб., Нестор-История, 2017,—Т. XII,—С. 130-133.

4. Войнов К. Н., Гхеллаб Яхья. 0 загрязнении воздуха автомобильными газами // Трибология: Международная энциклопедия. СПб., Нестор-История, ISBN544690817—1 и 978-5-4469-0817-2. Т. XII, 2017.—С. 127-129.

5. Попов Д. Н. и др. Гидромеханика. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. Т. б, 2002.— 384 с.