Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Улучшение экологических и экономических характеристик дизеля применением каталитического покрытия стенок камеры сгорания

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Улучшение экологических и экономических характеристик дизеля применением каталитического покрытия стенок камеры сгорания"

РГ6 од

о у фрв 1рп

На правах рукописи

НУЫЛЙО СЕДОВУ* АЛОЛЛИИР.Р

улучшение экологических и экономических характеристик дизеля применением

каталитического покрытия стенок камеры сгорания

11.00.11 - Охрала окружающей среды и ра> чальное

использование природных рссурч > 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степей кандидата технических 1шух

Москва - 1998

Работа выполнена на кафедре комбинировашмх двигателей внутреннего сгорания инженерного факультета Российского университета дружбы народов

Наупшй руководитель: доктор теюшческих наук,

доцент В.М. Фомин.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и

техники РФ,

доктор теюшческих наук, профессор ИЛ. Варшавский, -кандидат техшшеских наук . Н.Г. Пономарев

Ведущая организация: 11аучно - исследовательский

тракторный инечитут (ПАТИ)

Защита диссертации состоится "17" февраля 1998 т.

в 15°° часов на заседании диссертационного совета К 0S3.22.26 в Российском университете дружбы народов но адресу: 117302, Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу; 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.

Автореферат разослан " 16 " января 1998 г.

Ученый се)*ретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ВД. Долгушин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■■ Охрана окружаю-

щей среды и рациональное использование природных ресурсов являются одними из важнейших проб'лем. мирового сообщества. Доля .загрязняющих веществ, выделяемых двигателями внутреннего сгора-ш, на общем фоне загрязнения атмосферы промышленными выбросами велика и в ряде регионов составляет более 80%, из которых на долю дизелей приходится не менее 60%.

Промышленность й сельское хозяйство Бенина оснащено в настоящее время машинами и оборудованием, tía которых в качестве энергетической установки используется в основном дизель, как наиболее экономичный среди современных двигателей.

Важным резервом экономии энергоносителей и снижения вред-iшх выбросов в атмосферу при чкеилуатации дизельной техники является совершенствование характеристик дизелей на основе более рационального управления процессом горения.

С учетом научно-технического и экономического состояния дви-. гателестроительноЙ отрасли большинства развивающихся стран известные методы п средства снижения дммности и- токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей в большинстве своем .малорентабельны, так как либо приводят к снижению эффективных показателей двигателя, либо чрезмерно усложняют его конструкцию.

Комплексное решение проблем снижения токсичности ОГ и расхода топлива воздействием на внутрицилиндровые процессы связано со значительными трудностями вследствие ах взаимной противоречивости. Серьезтд трудности возникают и при решении задач по каждой из этих проблем, что приводит к необходимости усложнения базовой конструкции двигателя и его систем. Целевое решение «меченных проблем связано с поиском новых нетрадиционных путей дальнейшего совершенствования рабочих процессов в дизеле.

Одним из таких путей является использование . комплекса средств и методов целенаправленного физико-химического воздействия на процессы дизельного цикла, оказывающие определяющее влияние на gro экологические и экономические качества. Применение подобных средств для рационального управления процессами . рабочего цикла позволяет без существенной переналадки отлаженно . - . ■ • ' 1

©

го серийного производств, с малыми затратами на конструкторские ц технологические мероприятия решить задачи повышения топливной экономичности и снижения токсичности и дымности ОГ дизелей при сохранении их моторесурса, что в целой и определяет акту-алшость выбранного направления диссертационной работы.

¡J®.jyatjojjií, Разработка метода организации рабочего процесса дизели с улучшенными экологическими и экономическими показателями на основе реализации термокаталигичес кого преобразования (конверсии) топлива непосредственно в камере сгорания двигателя.

/JaV4j1к>вH'^iщ.рajíOГЫ, Научно-методически обоснована возможность осушесзндгния в рабочем просграж nie дизеля процесса термокаталитического преобразования (конверсии) жидкого топлива в газообразные продукты с высокой реакционной способностью. Проиедсн 'поиск высокоэффективных каталитических средств конверсии углеводородного топлива. С привлечением основ современной теории сгорания в дизелях разработана гипотетическая модель активированного воспламенения и сгорания топливно-воздушных смссси с учетом индивидуалг [их механизм»» воадейстоия активных комiioHciггов - продуктов конверсии на процессы дизелыюго цикла, определяющие его экологические и экономические качества. Разра- -. ботаны рекомендации по организации рабочего процесса вихрека-мерного дизеля с улучшенным и экологическими и экономическими показателями на основе реализации конверсии топлива'в его камере сгорании.

Шхош. жедедикишу. При выполнении работы применялись расчетные и экспериментальные метопы исследования. Эксперименты проводились в лаборатории рабочих процессов ДВС кафедры комбинированных двигателей внутреннего сгорания Российского университета дружбы народов на моторном стенде с дизелем типа 14 ¿1,5/11. Достоверность результатов подтверждена сходимостью экспериментальных реуулыатов с. .теоретическими положениями и обусловлена точностно испллмовлнной аппаратуры и достаточным о trie-мом экспериментов, применением современных методов математического моделирования процессов в дизелях.

Прахшчсская .иещшщь работы, Реализация разработанного метода организации рабочего процесса дизеля обеспечивает снижение Г гоксичносш и дыхшосш ОГ, а также уменыиоше позребления энергоносителя. Предложенный комплекс каталитических средств для

реализации конверсии дизельного топлива BHyipu рабочего пространства двигателя может быть использован непосредственно в промышленности при решении любых конкретных задач по улучшении! чкологических характеристик дизельных установок. Разработанные средства и метод могуг Ьшъ практически реализованы на основе простейших технических решений на всех типах вихрекамерных дизелей, в том числе и находящихся в эксплуатации, беч изменения их Ьаювой конструкции, что особенно важно для езран, не имеющих собстве н> юго дни гатслс сгрое ния.

Реализации. работы. Результаты работы используются в учебном процессе кафедры комбинированных ДВС Российского университета дружбы нардов, а также при подготовке Maní строп, стал'с ров и аспирантов.

Апробация.рабош. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технической конференции РУДН в 1995 г. и на V научно-практическом семинаре в 1995 г. в г. Владимире.

ЦуОлпкшин, Результаты работы наложены в трех сгаплх.

06км работы, Диссертация состоит из введения, четырех глав, выьадов, списка литернзуры из 150 наименований. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, включая 37 pucyirton и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РА1БОТЫ ^

BojbbÚcjuih обоснована- актуальность проблемы и выбршшого направления исследования, формулируется его цель и основные положения, выносимые на защиту.

Р. Л£ДОай_ХЛШЗ£ диссертации проанализированы основные направления и проблемы развития средств и методов улучшения эколо-i-ических и экономические характеристик дизелей. Особое внимание уделено исследованиям возможностей снижения дымности и токсичности ОГ дизелей воздействием на процесс сгорания топлива химически активными средствами, в частности, присадками.

Большое количество исследований, посвященных изучению проблемы улучшения эколого-акономических качеств дизелей, выполнено в научно-исследовательских и учебных центрах России' (НАМИ, М1ТУ, МАМИ, МАДИ, ЦНИДИ, ЛПИ, ВлГШ и др.), а также за рубежом. Большой научный вклад в развитие теории сгорания в дизелях внести российские ученые: И.И. Вибе, Д.Н. Вырубов,

3

Ю.Б. Свиридов, B.B. Зфрос, Е.Г. Пономарев и другие.

Исследования, связанные с развитием методов физико-химического воздействия на процессы рабочего цикла дизеля, отражены в работах Л.Н. Войнома, В.З. Махова, И.Л. Варшавского, H.H. Патрахальцева, Д.Д. Мзтиевского, М.О. Лернера, Г. Вошни и других ученых.

Обобщение результатов проведенного анализа вьшалнетшх по рассматриваемой проблеме исследований позволило сделать следующее заключе1ше.

1. Химически активные средства воздействия на реакционно-кинетический механизм сгорания топлива является эффективным инструментом для совершенствования рабочею процесса дизеля,' улучшения его экологических качеств без ухудшения топливной эко-номичносш.

2. Несмотря на очевидную простоту и эффекзивность, методы физико-химического воздействия на процессы рабочего цикла дизеля с применением каталитических аюивных веществ до настоящего времени остаются мало изученными.

3. Применение каталитически покрытий стенок камеры сгора- . теш в дизелях оказалось малоэффективным, так как активирующее Еоддейспше на реакционную способность топливно-воздушной сме- . си при контактном катализе лимитируется 01раниченными размерами зоны реагирования (пристеночный слой), . .

4. К наиболее эффективным и, следовательно, перспективным метода« организации активированного сгорания следует отнести методы', предусматривающие возможность генерирования подвижных высоко реакционных промежуточных продуктов на основе химической переработки (конверсии) части топлива, поданного п дизель, с послсдуюппш вовлечением их в процесс сгорания основной массы топливно-воздушной смеси. К сожалению, до настоящего времен« дшпше методы не.напит своего развития п практике дизелестрое-1ШЯ, о научно-методическая сущность конверсии топлива и условия, иеобхедихше для ее реализации в условиях дизеля, остаются не раскрытыми.

С учетом сказанного формулируются следующие основшле заДачи исследования:

Р I. Научно-методическое обоснование возможности, осуществления в рабочем пространстве дизеля процессов термокаталитической 4

переработки (конверсия) части топлива, поданного за цикл в камеру сгорания, с целью получения реакционно способных продуктов, инициирующих реакции окисления углеводородов.

2. Выбор и исследование каталитически активной среды, способствующей ускорению реакций конверсии углеводородов топлива в условиях рабочего процесса дизеля.

3. Разработка гипотетической модели организации рабочего про-г цесса дизеля на основе реализации внугрицилинцровой конверсии топлива с обоснованием индивидуальных механизмов воздействия активных компонентов конверсии и их влияния на эколого-экономические показатели двигателя.

4. Экспериментальная проверка адекватности разработанной модели и правомерности основных положений, принятых при се разработке. •

5. Разработка рекомендаций По осуществлению реакций конверсии углеводородов в условиях рабочего цикла дизеля и организации его рабочего процесса с улучшенными экологическими и экономическими показателями.

В ОЛрр о Й _ гд аи С исследованы условия реализации реакций каталитической конверсии углеводородного топлива в камере сгорания дизеля. Предварительный анализ показал, что к настоящему времени накоплен определенный опыт по поиску каталитически яктивных средств, размещенных непосредственно в камере сгорания дизеля и используемых в качестве физико-химического инструмента воздействия на реакционно-кинетический механизм контактного катализа. Однако, как показывают результаты исследований, в этих случаях эффективность воздействия на процесс сгорания топливно-по%!ТуишоЙ смеси отноечтельно не велика, так как лимитируется о1-раш1ченными размерами поверхности контакта.

Поэтому при проведении исследования ставилась задача по отысканию нового более эффективного принципа каталитической активации сгорания дизельного топлива. Согласно предложенного принципа через контактный катализ, априори, обуславливалась возможность предварительного генерирования газообразных продуктов с высокой реакционной способностью путем химического преобразования части ^оплива, взаимодействующего с каталитической поверхностью (условно - первая стадия катализа). Во второй стадии предусматривалось последующее вовлечение (диффундирование) ак-

тнвных продуктов конверсии топлива в основные зоны реагирования тошшвно-воздушной смеси для осуществления высокоэффективного объемного катализа.-Подобный подход к организации активированного сгорания в дизелях мало исследован, что обусловило неооходи-мость в детальном его изучении.

На предварительном этапе исследования был выявлен ряд оснсдошх факторов, необходимых для принципиальной реализации реакций ко!гвсрсии углеводородного топлива в рпоочем пространстве дизеля, а также изучена возможность эффективного воздействия активных продуктов конверсии на сгорание топлипно-воздушной смеси. Условно комплекс исследованных факторов оыл разделен на.две подгруппы в соответствии с их функциональной налравлешюстыо: химические и физические (рис.1).

, На рис. 1« В1&НО, что физические факторы, определяющие условия реализации конверсии углеводородного топлива внутри рабочего пространства дизеля, обусловлены главным образом параметрами его работы. Для организации контактной каталитической конверсии топлива необходимо, чтобы часть ^о достигала стенок камеры сгорания с катализатором, формируя на ее поверхности тонкую пленку. Очевидно, что »го условие "автоматически" удовлетворяется во всех дизелях с преобладающим пленочным смесеобразованием.

Важным фактором, определяющим активность реакций конвер-углеводородов, является гемперазурный режим поверхности стенок камеры сгорания с каталитическим покрытием. Анализ условий организации технологического цикла конверсионных промышленных реакторов показывает, что реакции каталитц ческой конверсии углеводородов становятся кинетически подвижны , при чемпературс контактной поверхности 400-550°С.

Для повышения реакционной способности топливно-воздушной смеси химически активные продукты конверсии необходимо рассредоточить по объему камеры сгорания дизеля желательно с максимальным "охватом" зон горения. Очевидно, что наиболее интенсив-Нос смешение продуктов конверсии с топливно-воздушной смесью достигается в дизелях, конструкцией которых предусмотрено организованное вращение воздушного за рад и.

г Вероятность конверсии топлива и возможность воздействия ее продуктов на протскшше рабочего процесса дизеля предопределяется необходимостью абсолютного удовлетворения всего комплекса пере-б • ^

Кинетический фактор: соответствие реакционно-

КИНСТИЧвСКИХ

характеристик процессов конверсии топлива и его выгорания

Наличие пяров воды в зоне кяталича (агент лромежуточ-ных стадий реагирования)

Химически е факторы |

Кагал итическ углевод ля конверсия «родов

Комгактный фактор: наличие топливной пленки на каталитической стенке КС ^ перш стадия катжли-1

м)

Физические факторы

гт

Температурный фактор: температура катаяити- ] ческой стенки КС>400°С

Диффузионный В фактор: смешение продуктов конверсии и горючей смеси (вторая стадия ка тализа)

Рис. 1. Факгоры, предопределяющие возможность организации рабочего процесса дизеля с внутришшгндровой каталитической конверсией топлива

численных факторов, которые в свою очередь связаны функционально с параметрами рабочего процесса двигателя, газодинамического состояния рабочего тела в камере сгорания, условиями теплообмена, смесеобразования и др. Отсутствие хотя бы одного из них исключает вероятность ожидаемого химического превращения топлива и, следовательно, прогнозируемого эффекта в улучшении показателей дизеля.

Сформулированный в рамках рабочей гипотезы комплекс необходимых факторов требует соответствующей экспериментальной проверки. Для сокращешш времени и трудоемкости экспериментального поиска и опытной проверки целесообразно предварительно теоретически оценить вероятность прогнозируемой конверсии топлива на горячих каталитических стенках камеры сгорания и установить аналитическим путем возможный диапазон изменешш рабочих параметров двигателя, в пределах которого эта конверсия реально возможна. • '

В связи с этим разработан расчетно-аналитический метод, включающий в себя рад "самостоятельных методических исследований по изучению отдельных факторов конверсии топлива и оценки возможных границ изменения параметров дизеля, в пределах которых они осуществимы. Такое построение методической схемы поискового исследования обусловлено многофакторноЙ зависимостью изучаемого физико-химического-явления, реализация которого возможна лишь при благоприятном' сочетании всего комплекса факторов в узких пределах их изменение..

По данным анализа наиболее характерных способов смесеобра-' зования в соврем'ешшх дизелях оценены условия, при которых обеспечивается гарантированное образование топливной пленки на стенках камеры сгорания. Разработан расчетный метод, позволяющий определить Количество поданного в камеру сгорания топлива, взаимодействующего со стенкой камеры сгорания.

Пленочный механизм смесеобразования наиболее характерен для дизелей с вихревой камерой сгорания и для ряда двигателей с камерой сгорания в поршне.

С учетом сказанного в качестве объекта исследования был выбран вихрекамерный дизель типа 14 8,5/11. Результаты проведенного расчетного исследования показали, что для данного двигателя на номинальном режиме его работы доля топлива, достигающего стенок и образующего на них пленку ($„), составляет более половины цикло-8 с

вой подачи gu: g„ / gu =0,7-0,75. Найденное соотношение сохраняется при изменении скоростного и нагрузочного режимов двигателя. На режиме холосгого хода доля топлива, достигающего creíгки, даже не колъко возрастает: gn / g„ - 0,8-0,85.

Температурный режим стенок камеры сгорания исследуемою двигателя изучался с учетом особенностей протекания рабочего про песса. С этой целью была разработана процедура расчета, предусматривающая формирование математических моделей рабочего лроцеюа и теплового состояли« стсиок камеры сгорания, которые лошчески увязывались друг с другом, а их взаимодействие аппроксимировалось итерационным процессом последовательного моделирования изоли-poFiaimiix и взаимодействующих по входу и выходу д.ишых модели ■ рования. При моделировании рабочего процесса двигателя опреде ■ лястся необходимая информация для расчета тепловых нагрузок на поверхностях стенок камеры сгорания. В свою очередь, тепловые нагрузки являются исходной информацией для расчета теплового со-стояшш стенок камеры сгорачия, а последнее используется как исходная информация для уточнения параметров рабочего процесса. После выполнения нескольких итераций рабочий процесс двигазеля достигает согласованности с тепловым состоянием стенок камеры сгорания. Для достаточно точного согласования параметров рабочего процесса и теплового состояния стснок камеры сгорания необходимо не более 4 итераций.

По данным моделирования проведен анализ взаимосвязи параметров рабочего процесса и теплового состояния стснок камеры сгорания. Анализом установлено, что стенки стальной вставки вихревой камеры сгорания имеют- достаточно высокий уровеш» температуры. В зависимости от режима работы двигателя температура меняется п пределах 420-560°С. Температура рабочей поверхности вих-ревой камеры сгорания, образованной охлаждаемыми чугушгыми стенками головки цилиндра, даже на номинальном режиме работы двигателя не превышает 200°С. Таким образом, процесс термокаталитического превращения углеводородного топлива в активные продукты принципиально возможен лишь на пове-рхности стальной вставки вихре вой камеры сгорания. Очевидно, что катализатор целесообразно раз мещать на указанной поверхности.

Реакционная способность топливно-воздушной смеси при объемном катализе в значительной степени определяется количеством

активных компоненте, ч, введенных в зоны реагирования. На последующем этапе нссл£Д1 шшя математическое моделирование позволило устшижизъ характер и интенсивность движения рабочего зела и камере сгорания, рыяин ъ качественную картину процесса диффузионного переноса актившхх продуктов конверсии и оценить объемы •он тонпивно-воздушной смеси, "охваченные" этими продуктами. Согласно данным проведс'шого исследования за период задержки воспламенения и ролу Kin конверсии под воздействием воздушного^ вихря рассредога«шваюгся в пространстве камеры сгоралш.я, равному примерно натовине се объема. К моменту воспламенения фрон-сильные слои продуктов конверсии вступают во взаимодействие со струей топлива, вытекакппего и' сопла распылителя форсунки. К началу основной (диффузионной) сзади и сгорания продукты конверсии уснепакгт диффундировал» практически в весь объем камеры сгора- • ния.

Оценочный кинетический анализ показал, что для условий дизельного цикла оптимальной избирательной способностью и необходи-мойакппшостыо в процессах конверсии углеводородов обладают ка-'галмзаторы на основе мешлл и ческою никеля. С учетом этого разработана гипотетическая физико-химическая модель, алгоритм которой содержит 12 наиболее вероятных химических реакций, лежащих в основе процесса каталитической конверсии углеводородного топлива и протекающих с образованием окиси утЛсрода. водорода ( в т.ч. н атомарного) п качестве конечных продуктов, а также реакционно способных фрагментов легких углеводородных радикалов и других продуктов.

Данные рпсчезно-анилитических исследований явились основой для формирования гипотезической модели рабочего процесса дизеля. В сложном комплексе проявляемых свойств активными продуктами конверсии важно выделить физико-химические воздействия на процессы рабочего цикла, обуславливающие экологические и тошшвно-эксномические его качества. В первую очередь к таким процессам необходимо отнести процессы воспламенения и сгорания топливно-воздуншой смеси, окисления азота, образования и выгорания сажистых частиц и газообразных продуктов неполного сгорания топлива.

Согласно современных представлений теории сгорания, присутствие в топливно-воадушной смеси активных продуктов конверсии С низкой энергией активации, например углеводородных радикалов, • 10

инициирует процессы предлламешюго рсатнровшшл смеси, снижает длитслшость индукционного периода, а также активирует сгораете в высокотемпературной спин и рабочею цикла, что приводит к уменьшению оЪщей продолжителыюстц сгорания и снижению содержат*»« в ОГ продуктов неполного сгорания.

Воздействие продуктов конверсии на процессы окисления и восстановления азота может проявиться в двух аспектах; термодинамическом и химическом, (^жжение длительности задержки воспламенения в присутствии активных продуктов конверсии способствует уменьшению интенсивности выделмшя теплоты в кинетической стадии сгорания и максималыюй температуры цикла, что приводит к . замедлению реакции окисления азота. Важным обстоятельством является и то, что введение в реагирующую топливно-воздушную смесь активных продуктов"конверсии расширяет концентрационные пределы ее воспламеняемости и за счет :ш>го снижает температурную неоднородность в объеме рабочего пространства дизеля, что также способствует снижению содержания оксидов азота в продуктах сгорания.

Химический аспект воздействия продуктов конверсии на меха-1тзм образования оксидов азота связан с присутствием в зонах окисления азота свободного водорода, являющегося одним из основных компонентов конверсии углеводородов. Повышение концентрации водорода в реагирующей среде повышает интенсивность реакций восстановления азота из его окислов, что снижает результирующий выход N0*. . •

Моделирова>ше показывает, что существенное влияние продукты конверсии могут оказывать на процессы образования .и выгорания твердых углеродистых частиц. Па стадии образования твердого углерода присутствие свободного водорода ингибнрует процесс образовать! химического радикала-зародыша 1, а на последующих стадиях образовашш сажи - препятствует поверхностному росту сажистых частиц, что ускоряет процесс их выгорания (водородное торможение, по Лангмюру). Кроме того, присутствие дополнительного водорода интенсифицирует процессы выжигания сажистых частиц в заключительной стадии рабочего цикла дизеля за счет образования воды, выступающей в данном случае в роли окислителя углерода по схеме реакций "мокрой газификации". Важное значение в процессах выгорания твердого углерода можно отвеет активным компонентам продуктов конверсии, которые проявляют себя как частицы - возбудите-

И

.ли гетерогенного ката, и за при окислении сажи.

Па экономические качества рабочего* цикла дизеля, кроме отме-41 .иного нише сокращения продолжительности сгорания, может ока-ишт влияние и снижение тепловых потерь, обусловленных процессами сажевыделения. В сложном механизме сажевыделения (образования и выгорание сажи) различные компоненты продуктов конверсии проявляют себ:> по-разному. Повышение термодинамической эффективности циюч может оыть, в принципе, достигнуто за счет умснилсння неполноты сгорания сажи, несвоевремешюсти ее сгорания и потери не теплообмен горящих чаепщ со стенками камеры сгорания. Ингнбировант водородосодержащими продуктами 1:онпе])сии процесса образования зародышей сажистых частиц пригладит к умеш>ше>шю массового количества образуемой за цикл сажи и, следоиагелию, к снижению всех видов персчислешшх выше по-1грь теплоты. Некоторое снижение этих потерь может быть достигнуто за счет и1п\:нсификации выгорания образовавшейся за никл сажи активными продуктами конверсии и уменьшения поверхностного роена частиц, что позволяет приблизить завершение процесса выгорания основном массы сажи шшжс к В.М.Т. и повысить полноту се кыгорашш, то ост», снизил, тепловые потери от несвоевременности выгорания сажи и от неполноты сгорания.

Результаты физико-химического моделирования характера воздействия отдельных компоне!ПХ)в, содержащихся в продуктах ка тали -ти ческой конверсии дизельного топлива, на основные процессы рабочего цикла позволили качественно спрогнозировать соответствующее улучшение его эколого-экономических качеств.

Влриыгй главе обосновываются цель и задачи эксиернменгталь-1/ых исследований, приводится описание объекта исследования, экспериментальной установки, излагаются методики проведения исследований, а также дастся оценка точности проведенных измерений и погрешностей опытов. (.

Программный цикл экспериментальных исследований включал в себя три основные этапа. На первом этапе проведено контрольное испытание дизеля 14 8,5/11 со штатной камерой сгорания. На втором этапе штатная вставка вихревой камеры сгорания была заменена на экспериментальную, поверхность которой содержала слой катализатора конверсии углеводородов марки ПХ20Н80 (20% хрома а 80% никеля) с пористостью 25%. Нанесение покрытия на поверхность 12

вставки камеры проводилось в химической лаборатории НПО "Техэнергохимпром" методом газотсрмического напыления. На третьем этапе экспериментальной работы двигатель оснащался вставкой, поверхность которой была покрыта тем же сЛоем катализатора, но с до( авленнем в его состав Ь% промотора (алюминия). После оконча-тш испытаний проводились повторные контрольные испытании ди-. зеля со штатной вставкой камеры сгорания.

Испытания проводились с использованием дизельного топ ли на марки Л ГОСТ 305-82, теишческие нзмерешм выполнялись согласно ГОСТ 148446-81. Содержание сажи в ОГ дизеля измерялось са-жемером фирмы Бощ мод. ЕРА\У-6КА; концентрация оксидов азота в 'продуктах сгорания определялась методом отбора проб ОГ в вакуу-мированные колбы с составом Зальцмана с последующим фотометрическим анализом. Обработка данных экспсрименталыплх исследований проводилась с использованием ПЭВМ.

Четвертая глава диссертации посвящена анализу результатов экспериментальных исследований и сопоставлению их с данными расчстно-теоретических исследований, а также опытной проверке принятых гипотетических положений на основе комплексного изучения параметров рабочего процесса.

Улучшение экономических и токсических показателей рабочего про цесса исследуемого двигателя, обусловленное проявлением эффекта конверсии топлива, проиллюстрировано на рис.2 и 3. Текущие вели-чнны параметров на приведенных характеристиках для наглядности отнессшл к их номинальным значег'пьтм, полученным на двигателе со штатной камерой сгорания. Приведсшше данные позволяют, сделать основной вывод о том, что токсичность ОГ при использовании камеры сгорагтя с каталитическим покрытием существенно снижается. 5>го снижение Наблюдается во всем диапазоне изменения на-грузепшх и скоростных режимов дизеля.

Экспериментальная проверка характера влияния продуктов конверсии па кинематические параметры процессов воспламенения и сгорания подтвердила все основные высказанные ранее предположе ния. Вследствие активации топливно-воздушной смеси активными продуктами конверсии длительность задержки воспламенения снижается я среднем на ЮЖ. Данные обработки индикаторных диаграмм показывают, что интенсивность тепловыделения в кинетической стадии сгорания снижается, а в диффузионной - возрастает,

13

П - ¡бОО к** *'

Рис^З. Нагрузочная и токсические характеристики дизеля: * базовая КС; — - — . _ . КС с каталитическим

покрытием

Рис. 2. Внешняя скоростная и токсические характеристики

дизеля:- базовая КС;

— . — . КС с каталитическим покрытием

при этом общая продолжительность сгорания уменьшается. С ниже -ние продолжительности сгорания в цикле и смешсш1е максимума тепловыделения ближе к В.МЛ'., а также снижение потерь теплоты при сажевыделенин, как чти прогнозировалось, и являются причинами улучшения топливной экономичности двигателя.

Исследование возможности повышения эффективности катализатора конверсии, проведенное на заключительном этапе, показало,' что добавление 5% алюминия к хромо-никелевой смеси заметно повышает ее каталитический эффект, что проявляется в дополнительном снижении содержания в ОГ оксидов азота на 5%, а сажи на 12%, по сравнению с исходным (не. иромотированным) катализатором.

Принципиально была подтверждена возможность организации каталитической конверсии топлива в условиях рабочего процесса дизеля с камерой сгорания в алюминиевом поршне. Однако, в с^гом случае для повышения температуры поверхности камеры сгорания была использована теплоизоляция из керамического материала. При этом возникли трудности, связанные с выбором теплостойкого материала, обеспечении его.длительной механической Прочности и надежности соединения с алюминиевой поверхностью поршня.

ОСНОВНЬШ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Аналитически обоснована и экспериментально подтверждена возможность осуществления термокаталитической конверсии топлива в камере сгорания дизеля, позволяющей улучшить его экологические и экономические показатели.

2. Исследованы и предложены для практического применения на дизелях эффективные катализаторы конверсии углеводородного топлива.

3. Исследованы механизмы индивидуального воздействия отдельных химически активтгых компонентов, содержащихся в продуктах конверсии, на основные процессы рабочего цикла дизеля, обуславливающие е о экологические и экономические качества.

4. Разработан метод организации рабочего процесса вихрекамер-ного дизеля типа 14 К,5/11 с каталитической конверсией топлива в камере сгорания, обеспечивающей на номинальном режиме работы снижение содержания в ОГ сажи на 32%, оксидов азота на ЗО'Ь, удел]>ного расхода топлива в среднем на 3,5%.

5. Достоинством разработанного метода и реализующих его средств является возможность их применения на существующих дизелях путем сравнительно простой модернизации камеры сгорания.

Таким образом, в работе предложено новое peineime актуалышх научно-технических задач улучшения санитврно-гигиешпеских н тошшвно-экономических характеристик дизелей на основе реализации каталитической конверсии топлива непосредственно w рабочем пространстве двигателя, что обеспечивает улучшение экологической енкгпшоики и более рационалы юе использование энергоносителей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих^ работах автора:

1. ФоминВ.М., Реда Надср Ф., Аполттер //'Ссдовуй Исследование рабочего процесса дизеля , с вну1рицшшцдровой каталитической конверсией топлива// Совершенствование мощтюстных, экономических и экологических показателей ДВС: Материалы III научно-практического семинара,- Владимир.-1993.-С.51-52.

2. Фомин D.M., Халед Ф.С. Овей с, Аполлинер Н. Ссдовуй Исследование характеристик тепловыделения в вихрекамерном дизеле// Тезисы докладов XXXI научной конференции профессорско-преподавательского состава инженерного факультета <РУДН, . М.-199S.-C.S6.

3. Фомин В.М., Сгшаспгнко A.A., Аполлинер Н. СедооуХ Повышение топливной экономичности дизеля оптимизацией кинетических показателей процесса сгорания// Вестник Российского университета дружбы народовю - Серия "Тепловые двигатели". - М.-РУДН. - 199б.-№ 1.-С. 81-84.

НУМАВО СЕДОВУЙ АПОЛЛИНЕР (Бенин)

"Улучшение экологических в экономяческах характеристик дяделя пряменсняем каталитического покрытая стенок камеры

сгоришя"..

Предложен способ организация малогоксичного и экономичного рабочего процесса дизеля путем применения каталитического покрытия стенок камер» сгорания. Ра »работаю* научно-методические принципы выбора компонентов катализатора. Предложены для практического использования в дизелях катализаторы, применение которых позволяет снизить содержание в отработавших газах оксидом азота нп 30%, сажи - на 32% и улучшить расход топлива до 3,5%.

NUMAVO 8EDOVUY APOLLINER (Benin)

"Improvement of ecologic&l and economical properties of djencl with catalytic combustion chamber."

The author has suggested;

the method for the organisation of low toxic and economical working procetvin diesel applying-reaction-provoking catalytic. Scientific and methodological principle* for selection of biofunctional catalytic components have been elaborated. Catalytic recommended for practical use in diesels, enable to reduce the content of nitrogen oxides in exhaust gases by 30%, soot by 32% and decrease fuel consumption to 3,5%.

I6.oI.Sor. ОбЪ'Ьл In. л. Тир. 100 jajî. 67

Тип. Р7дН, Ордаониквдзе, 3