Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Улучшение экологических и топливно-экономических показателей дизеля применением диспергированных металлов в качестве присадок к топливу

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

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Раид Ибрагим Мухейсен, Москва

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

УДК 621.436.068 На правах рукописи

Раид Ибрагим Мухеисин

УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТОПЛИВНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ ПРИМЕНЕНИЕМ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ ПРИСАДОК К ТОПЛИВУ.

11.00 Л1 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук ФОМИН В. М.

Научный консультант: кандидат химических наук ЧЙСТОХВАЛОВ В. Н.

Москва - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр

Перечень условных обозначений.............................................................. 5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................. 9

Глава 1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ДИЗЕЛЕЙ .... 13

1.1. Общий анализ причин образования токсических веществ при сгорании топлива в дизелях....................................................................... 13

1.2. Исследование химически активных средств воздействия на внутрицилиндровые процессы дизеля..................................................... 27

1.3. Влияние антитоксичных и антидымных мероприятий на экономические показатели дизеля....................................................................................... 37

1.4. Заключение и постановка задач исследования................................... 43

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛЛОИДНО-ДИСПЕРСНЫХ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ АКТИВАТОРОВ НА КИНЕТИКУ ПРОЦЕССОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЕГО ЭКОЛОГО-

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА..................................................................... 47

2.1. Влияние дисперсной активирующей среды на кинетику предпламенного реагирования и воспламенение углеводородно-воздушной смеси в дизеле.....47

2.2. Влияние дисперсной активирующей среды на процессы сажевыделе-ния в дизеле.............................................................................................................. 53

2.3. Влияние дисперсной активирующей среды на кинетику сгорания

топливно-воздушных смесей в дизеле 2.4. Заключение и выводы по главе.

70 78

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ

ИЗМЕРЕНИЙ................................................................................. 82

3.1. Цель и задачи экспериментального исследования.......................... 82

3.2.Экспериментальная установка............................................................... 83

3.3. Методики проведения исследований................................................ 87

3.4. Оценка погрешностей измерений......................................................... 91

Глава 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТОПЛИВНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ АКТИВИРУЮЩИХ ПРИСАДОК К ТОПЛИВУ. 99

4.1. Анализ результатов исследования процесса активированного воспламенения углеводородно-воздушной среды в дизеле........................................ 99

4.2. Анализ результатов исследования влияния диспергированных металлических частиц на уровень сажевыделения в дизеле........................................102

4.3. Анализ результатов исследования процесса сгорания (тепловыделения) в дизеле в присутствии мелкодиспергированной металлической среды...........108

4.4. Анализ результатов исследования топливной экономичности дизеля, работающего на топливе с присадкой диспергированных металлических катализаторов.........................................................................................111

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...............................................116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................129

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Ре - среднее эффективное давление, МПа;

Ра - давление воздуха на впуске в двигатель, МПа;

Iх/ - максимальное давление цикла, МПа;

Р - текущее давление в цилиндре, МПа;

Т - текущая температура рабочего тела в цилиндре. К;

Тэкв - эквивалентная температура среды, К;

11 - частота вращения коленчатого вала, мин-1;

N6 - эффективная мощность, кВт;

Ме - эффективный крутящий момент, Н м;

Сг - часовой расход топлива, кг/ч;

ge - удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч);

вЬ - часовой расход воздуха, кг/ч;

(X - коэффициент избытка возлуха;

Т)у - коэффициент наполнения; 0 - угол опережения подачи топлива, град, п. к. в.;

Т1 - период задержки самовоспламенения, мкс;

ф1 - угол, соответствующий периоду задержки самовоспламенения, град. п. к. в;

Р1 - среднее индикаторное давление в цилиндре, МПа; - удельный индикаторный расход топлива, г/(кВт ч);

р - плотность, кг/мз;

V - удельный объем, мз/кг;

V - объем, мз;

8м - относительное содержание металлических частиц в топливе, %

Ум - показатель активности металлической частицы

Су - изохорная теплоемкость, Дж/(кг К); Ср - изобарная теплоемкость, Дж/(кг К);

(р7 - общая продолжительность сгорания, град.п.к.в,;

фн - продолжительность начального периода сгорания, град, п.к.в.;

фт! - координата максимума скорости тепловыделения в начальном периоде сгорания, град. п. к. в.;

фт11 - координата максимума скорости тепловыделения в основном периоде сгорания, град. п. к. в.;

Хн - доля топлива, выгоревшая в начальном периоде сгорания;

ГПн - показатель характера сгорания в начальном периоде сгорания;

ГП - показатель характера сгорания в основном периоде сгорания;

\\ I - скорость тепловыделения в начальном периоде сгорания, град-1;

\¥Н - скорость тепловыделения в основном периоде сгорания, -1;

Е - энергия активации кДж/моль;

К1 - константа скорости выгорания сажистой частицы;

(Зм - диффузионный член;

И - газовая постоянная, кДж/моль; <2 - количество теплоты, Дж;

- коэффициент теплоиспользования

8 - степень сжатия;

Сш - средняя скорость поршня, м/с; О -диаметр цилиндра, м; Б -ход поршня, м;

ИНДЕКСЫ

В - выпуск; ВП - впуск; ВХ - вход; ВЫХ - выход;

шах - максимальная величина; 1ШП - минимальная величина,

Ср - средняя величина.

СОКРАЩЕНИЯ ДВС - двигатель внутреннего сгорания; КС - камера сгорания; ЦПГ - цилиндропоршневая группа; ТНВД - топливный насос высокого давления; ЛВД - линия высокого давления; ХАС - химически активное соединение

ВВЕДЕНИЕ

Охрана окружающей среды и в том числе атмосферного воздуха является одной из самых актуальных проблем современности. Доля загрязняющих веществ, выделяемых двигателями внутреннего сгорания (ДВС), в общем, загрязнении атмосферы промышленными выбросами велика и в ряде регионов составляет более 80%,из которых на долю дизелей приходится более половины. Поэтому, признавая важность совершенствования дизелей по целому ряду направлений, первоочередным следует отнести - повышение топливной экономичности и снижение дымности и токсичности отработавших газов (ОГ). Это диктуется необходимостью безотлагательного решения таких крупных социально-экономических проблем, как энергосбережение и охрана окружающей среды.

По сравнению с бензиновыми ДВС дизельные двигатели в экологическом отношении имеют преимущества, связанные с уменьшенными выбросами токсичных продуктов ненолного сгорания : окиси углерода (СО) и углеводородов (СН). Однако, специфика организации процесса сгорания крайне неоднородной топливно-воздушной смеси в дизелях обуславливает интенсивное выделение с ОГ сажи, которая является активным адсорбентом канцерогенных веществ, в частности, бенз(а)пирена. и сравнительно высокий выход оксидов азота (МОх) самого токсичного газообразного компонента ОГ.

В настоящее время проблема улучшения экологических качеств дизелей становится актуальной для большинства развивающихся стран, в том числе и для Иордании, где дизели получают все большее применение в городском

транспорте и в сельском хозяйстве .Установки с дизелями эксплуатируются в закрытых помещениях и в зонах с ограниченными условиями воздухообмена (гаражи, животноводческие помещения и др.).

Многие специалисты считают [1,2,3,4], что проблема снижения дымности и токсичности ОГ ДВС, в том числе и дизелей, до пределов безопасных для людей и окружающей среды, имеет приоритетное значение в проблеме защиты окружающей среды. От её решения, в конечном счете, зависит и целесообразность дальнейшего развития дизелей и расширения сферы их применения в промышленности и на транспорте.

Среди наиболее современных и эффективных способов снижения дымности и токсичности ОГ дизелей особое место принадлежит химически активным средствам воздействия на параметры рабочих процессов. Успешное решение возникающих при реализации этого способа задач связано с выявлением характера и эффективности воздействия активирующих средств на протекание процесса формирования токсических веществ в камере сгорания (КС) дизеля, который, в свою очередь, является составной частью процесса сгорания топлива и качественно связан с предшествующими ему процессами смесеобразования, воспламенения. Этим можно объяснить сложность управления рабочими процессами, так как каждый в отдельности из процессов имеет различную физико-химическую природу и динамику своего развития в течение короткого времени (несколько миллисекунд) рабочего цикла дизеля.

Из реакционно-активных средств воздействия на кинетику рабочих процессов наиболее известны химические соединения, способствующие снижению содержания в ОГ сажи (дымности).

До настоящего времени недостаточно изучен механизм действия этих соединений (присадок) на кинетику предпламенных процессов, воспламенение, сгорание топливно-воздушных смесей и акты образования токсических веществ в КС дизеля. Многие из них токсичны, а их производство требует создания дорогостоящих технологий для их синтезирования. Этим и объясняется ограниченные масштабы их применения. Практически отсутствуют данные по исследованию органических химически активных средств (присадок), снижающих выход главного токсического компонента ОГ дизеля - оксидов азота, Тем не менее необходимость решения важной социально-экономической проблемы снижения дымности и токсичности ОГ дизелей стимулирует дальнейший поиск химических активаторов, применение которых не было бы связано с рассмотренными выше трудностями.

Ранее проведенными на кафедре КДВС РУДН исследованиями [5,6,7,8,9] было установлено, что ряд металлов, вводимых в КС дизеля в виде органических соединений, проявляют каталитическую активность в реакциях преобразования углеводородов топлива, сокращая длительность предпламенной стадии рабочего цикла, инициируя процессы воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси. Эти исследования послужили основой для поиска возможности использования в качестве каталитически активных средств мелкодисперги-

рованных частиц металлов, вводимых в КС дизеля в чистом, то есть в химически не связанном состоянии.

Априори, подобный подход к решению проблемы полностью исключал

бы

необходимость в производстве (синтезировании) дорогостоящих метал-лосодержащих органических соединений.

Из теории гетерогенного катализа известно [24] .что каталитическая активность в реакциях окисления (химического преобразования) углеводородов проявляют в основном металлы переходной валентности. Причем свойства этих катализаторов проявляются в наиболее активной форме при их введении в реагирующую среду в мелкодисперсном виде. Диспергированные металлы в кластерной или коллоидной форме раствора находят применение в современных химических технологиях. В общем виде вопросы активации процессов окисления и деструкции углеводородов путем применения коллоидных систем (растворов) находят свое отражение в теории гетерогенного катализа и других разделах современной химии. В области двигателестроения возможность применения коллоидно-дисперсных катализаторов в качестве инициаторов рабочих процессов и в качестве средств снижения токсичности и дымности продуктов сгорания до настоящего времени не исследована.

В связи с этим, целью настоящей работы явилось исследование способа улучшения экологических и топливно-экономических показателей дизеля на основе применения диспергированных металлов в качестве присадок к топливу.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- методическое обоснование возможности применения коллоидно-дисперсной среды в качестве активирующего средства воздействия на кинетику внутрицилиндровых процессов дизеля, определяющих его экологические и то-пливно-экономические показатели;

- данные исследования характера влияния коллоидно-дисперсной фазы на

параметры воспламенения топливно-воздушной смеси в дизеле;

- результаты исследования изменения кинетических параметров процесса сгорания (тепловыделения) в дизеле в присутствие мелкодиспергированной металлической фазы;

- результаты исследования влияния относительного содержания в топливе диспергированных металлов на процессы сажевыделения в дизеля;

- результаты исследования влияния процентного содержания в топливе металлических частиц на выход оксидов азота с продуктами сгорания дизеля;

- данные исследования влияния на топливную экономичность двигателя кинетических параметров процесса сгорания, активированного металлическим катализатором.

Глава 1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ДИЗЕЛЕЙ

1.1. Общий анализ причин образования токсических веществ при сгорании топлива в дизелях.

За последние годы в связи с остротой проблемы в печати резко возросло количество публикаций, освященных исследованию проблемы токсичности

ДВС вообще и дизелей, в частности. Основное внимание в этих работах отводится экспериментальному и теоретическому изучению причин образования и возможностям снижения концентрации вредных веществ в продуктах сгорания дизелей.

Экспериментальные исследования ограничиваются поиском определенного рода эмпирических взаимосвязей между регулировочными операциями .режимом работы двигателя, сортом применяемого топлива и т. д. с одной стороны и уровнем токсичности ОГ дизеля - с другой. Анализ этих исследований позволяет рекомендовать мероприятия по улучшению экологических характеристик двигателей, которые в совокупности со специальными мероприятиями (перепуск части ОГ на впуск, подача воды и топлива со всасываемым воздухом и т.д.) позволяют снизить токсичность ОГ до определенного уровня.

К сожалению, этих мероприятий оказывается недостаточно для удовлетворения растущих требований к экологическим показателям дизелей. Более того, большинство из этих мероприятий приемлемы не всегда, так как либо приводят к ухудшению эффективных показателей двигателя, либо чрезмерно усложняют его конструкцию. Кроме того, решение проблемы сокращения вредных выбросов дизелями зачастую вступает в противоречие с требованиями улучшения топливной экономичности.

Появление теоретических работ связанно с поиском новых, более эффективных методов снижения токсичности ОГ дизелей на основе раскрытия механизма образования вредных веществ в КС. Эти работы базируются на известных теоретических представлениях процессов горения углеводородно-

воздушной смеси и индивидуальных механизмах образования токсичных продуктов сгорания, которые предварительно исследовались в лабораторных условиях (в ударных трубах, бомбах постоянного объема, на пламенных горелках и т.п.). Эти исследования, дополненные результатами натурных испытаний на двигателях, позволили расширить представление о феноменологической сущности процессов.

Не останавливаясь на детальном анализе экспериментальных и теоретических разработок, проанализируем лишь общие причины образования токсических продуктов в КС дизелей, необходимые для понимания явления и поиска конкретных средств воздействия на кинетический механизм процессов, лежащих в основе формирования токсических компонентов ОГ дизелей, и определяющих их топливную экономичность.

При анализе работ, посвященных исследованию причин образования токсических компонентов, основное внимание уделялось изучению образования ЫОх при сгорании в дизелях как наиболее токсического компонента ОГ. При проведении анализа образования >Юх подавляющее большинство исследователей исходят из цепного механизма окисления азота, предложенного Я. Б. Зельдовичем [44] и рассматривают две основные реакции:

К1

№ + 0-> N0 +N-316кДж (1,1)

К2

02 + Ы-> N0 + О + 136 кДж (1.2)

Скорость образования окиси азота определяется уравнением <Ш0/<Н = К1СМ2 + Кг N02 - КзЫШ - КдОШ (1.3) Доказана термическая природа образования N0 , выход которого определяется максимальной температурой вспышки, концентрацией кислорода и азота в продуктах сгорания. При малой подвижности реакции (бедные смеси) образование N0 определяется Ттах,. При большой подвижности реакции (богатые смеси) выход ЫОх определяется кинетикой разложения, т.е. "замораживанием" образовавшегося количества N0. Махе-эффект сказывает сильное влияние при сгорании бедных смесей и слабо влияет на выход Ж)х при сгорании богатых смесей. В последующих работах эти основные положения были подтверждены и распространены на случаи сгорания в дизелях.

Хэнейн [59] расс�