Дек 10 2002

Методы повышения экологической безопасности и экономичности дизелей

Опубликовано в 23:03 в категории Транспортная конференция

Методы повышения экологической безопасности и экономичности дизелей

Ю.В. Черняк, Ю.В. Кривошея, Н.Ф. Беспалов

Донецкий институт железнодорожного транспорта

Злободневной задачей для железнодорожного транспорта на данный момент является, улучшение экологических показателей тепловозов в соответствии требованиям международных норм и стандартов. Анализ методов оценки и путей снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду показывает, что в настоящее время основными направлениями являются усовершенствование конструкции отдельных узлов дизеля, рециркуляция газов, применение нейтрализаторов и катализаторов, электрофизических методов очистки выхлопных газов, использование альтернативных топлив. Кроме того, представляет интерес применение различных присадок к топливу, а также использование различных методов обработки топлива перед впрыском в камеру сгорания.

Уменьшением угла опережения впрыска топлива на 4-5њ от штатного [4] снижается максимальная температура цикла, что приводит к снижению концентрации оксида азота (NOx) в среднем на 30-35%. Увеличение угла опережения повышает концентрацию (NOx) на 15-17%. Иное влияние изменение угла опережения впрыска топлива оказывает на содержание продуктов неполного сгорания топлива. Так, уменьшение угла приводит к снижению концентрации СО при работе дизеля в диапазоне малых нагрузок и, наоборот, к увеличению- при работе дизеля в области средних и максимальных нагрузок. При угле впрыска больше штатного концентрация СО увеличивается в области малых нагрузок и снижается в области нагрузок, превышающих среднюю. Результаты эксперимента показывают, что уменьшение угла опережения впрыска топлива вызывает рост содержания продуктов неполного сгорания топлива, но общая токсичность дизеля не увеличивается, так как выход наиболее токсичного и трудно обезвреживаемого оксида азота снижается. Применение такого способа требует разработки и установки на дизеле специ-

альной муфты, позволяющей автоматически менять угол опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки.

Положительные результаты дает и рециркуляция отработавших газов на линии всасывания. [5] В этом случае в свежем заряде цилиндра снижается доля свободного кислорода, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости и температуры сгорания топлива а, следовательно, к ухудшению условий образования оксида азота. Кроме того, уменьшается выбрасываемая масса газов - на величину перепускаемых.

Правда, количественное изменение свежего заряда может негативно отразиться на технико-экономические показатели двигателя. В частности, при чрезмерном перепуске отработавших газов может увеличиться расход топлива с одновременным падением развиваемой дизелем мощности. Поэтому количество перепускаемых газов для каждого двигателя подбирается индивидуально, исходя из условий минимального ухудшения технико-экономических показателей дизелей и режимов его работы. Как правило, в этом случае за основу берется топливная характеристика. Следовательно, экономические показатели дизеля должны увязываться с указанными ограничениями. Так же при применении рециркуляции газов возникает дополнительная проблема - отложение сажи на внутренних поверхностях дизеля - воздухоподводящем канале, впускных окнах, форсунках. Эту проблему можно решить с помощью использования специальных сажевых фильтров. В настоящее время ряд отечественных и зарубежных исследователей ведут работы по созданию керамических фильтров (пористые сотовые структуры на основе кордиерита), фильтров на основе металлических сеток и войлока (волокна из нержавеющей стали), а также электрофильтров. Такие фильтры способны задерживать до 80 – 95 % твердых частиц, содержащихся в отработавших газах. Однако в процессе работы первые два из указанных типов фильтров вскоре забиваются сажей, что приводит к резкому росту противодавления в выхлопном трате. Поэтому требуется их регенерация - либо огневая (за счет выжигания сажи специальными горелками), либо за счет противотока, встряхивания. В целом рециркуляцию предпочтительно применять на тех тепловозах у которых, в общем времени эксплуатации преобладают режимы холостого хода и малых нагрузок.

Одним из направлении в очистке отработавших газов от вредных выбросов (NOх, СО, СО2, SO2 и др.) является применение нейтрализаторов с катализаторами дожигания углеводородов. Из других методов очистки отработавших газов от оксида азота следует отметить каталитическое его восстановление с помощью платинованадиевого катализатора в присутствии аммиака. Использование аммиака наиболее приемлемо для применения в кислородосодержащей среде. Несмотря на сложность и относительно большую стоимость, этот метод может найти применение на железнодорожном транспорте, в первую очередь на станциях реостатных испытаний дизелей. Известны также случаи применения для восстановления оксида азота мочевины, метана, природного газа. Перечисленные способы снижения токсичности тепловозного дизеля могут быть  мокрыми и сухими. Применение на тепловозах жидкостных нейтрализаторов нереально ввиду их громоздкости, сложности эксплуатации и обслуживания.

В настоящее время во многих странах ведутся исследования по применению электрофизических методов очистки газов от экологически вредных составляющих. Одним из способов является использование импульсной стримерной короны для очистки отработавших газов. По сравнению с другими способами очистки, очистка с помощью стримерной короны не сопряжена с решением сложных инженерных задач обеспечения высокого ресурса источника энергии - ускорителя электронов в агрессивной среде выхлопных газов. Выхлопные газы проходят через реакционную камеру, к которой прикладываются импульсы высокого напряжения столь малой длительности, что пробоя камеры не происходит. При этом в камере возникает интенсивный импульсный коронный разряд представляющий собой одновременное развитие большого числа тонких светящихся каналов разряда - стримеров. Во время прорастания стримеров в межэлектродном промежутке, за счет высокой напряженности электрического поля на головках стримеров нарабатывается большое количество электронов имеющих сравнительно высокую энергию. Взаимодействие этих электронов с молекулами газа приводит к образованию химически активных частиц таких как О, О3, ОН-, Н2O2 и т.д. которые, взаимодействуя в свою очередь с молекулами примесей, окисляют и доокисляют их с образованием безвредных малоактивных соединений. При этом привлекательными являются как простота технологий очистки, позволяющая совмещать реакционную камеру с существующими технологическими схемами, так и относительно невысокие затраты энергии на процесс очистки. Наличие в газах только коронирующего электрода является несомненным преимуществом этого способа очистки по сравнению с другими способами, что не исключает их комплексного применения. Энергия, требуемая на очистку 1 м3 газа меняется в зависимости от концентраций и вида загрязняющего компонента. Так по экспериментальным данным очистка воздуха от окиси азота NO2 на 80% требует затрат энергии около 15Вт·час/м3, от окиси серы SO2 на 90% - 10 Вт · час/м3.

Большое значение для снижения вредных выбросов дизелей имеет разработка и внедрение альтернативных низкотоксичных видов топлив. Так в качестве дизельного топлива можно использовать диметиловый эфир, это топливо может радикально решить проблему использования дизельных двигателей в городских условиях, только необходимо разработать дополнительную к обычной, топливную аппаратура для серийных двигателей [7]. Но топливо должно быть доступным. В ИНХС РАН разработали эффективный способ получения дешевого диметилового эфира из синтез-газа в одну стадию. Диметиловый эфир СН3ОСН3 (ДМЭ) при комнатной температуре газ, но при минус 25° С он сжижается и под небольшим давлением может быть помещен в топливные баки дизельных двигателей. Параметры сгорания ДМЭ такие же, как и у дизельного топлива и при сохранении мощности и экономичности полностью отсутствует в выхлопных газах сажа на всех режимах работы, а так же снижается содержание оксидов азота.

В связи с тем, что дизельный ДВС не может работать на природном газе, поэтому одной из мер по снижению токсичности выхлопных газов и экономии дизельного топлива может стать применение газодизелей - ДВС с двухтопливной системой: дизельное топливо - газ. Принцип этой системы состоит в том, что количество подаваемого в цилиндры дизельного топлива уменьшается примерно на 35%, а во впускной коллектор вместе с воздухом подается 35% сухого газа, которые тщательно перемешиваются перед впуском в цилиндр. Это позволяет двигателю развивать такую же мощность, какую он развил бы при использовании 100% дизельного топлива. Сгорание топлива в цилиндрах происходит более активно, уменьшая дымность отработанных газов почти на 50%.

Так же рекомендуется использование топливных присадок и водо-топливных эмульсий, подача воды в воздушный ресивер. В качестве добавок к топливу возможно использование растительных масел (до 10 %) без потери мощности, после их предварительной переработки (прессование, извлечение эфиров, очистка, рафинирование и др.) [8].

Одним из способов улучшение экологических и технико-экономических показателей тепловозных дизелей является электромагнитная обработка топлива перед непосредственной подачей его в камеру сгорания. При этом изменяется физическое состояние топлива на молекулярном уровне (ионизация топлива). Такие изменения ведут к улучшению распыления топлива по всему периметру камеры сгорания, что приводит к хорошему смесеобразованию и более качественному и полному сгоранию горючей смеси [13]. Это ведет к уменьшению нагара в камере сгорания, снижению содержания в отработавших газах окиси углерода на 20-50%, углеводородов - на 20-60%, окислов азота - на 15%, дымность - на 30-60%, снижение расхода топлива - до 15% (в зависимости от режима работы). Кроме этого облегчается пуск в зимнее время, повышается надежность и мощность двигателя; улучшается теплообмен; увеличивается моторесурс; уменьшается уровень шума ДВС. При этом потребляемая мощность составляет 2,0 - 5,0 вт, в зависимости от типа двигателя.

Из вышеизложенного следует, что единого (универсального) технического решения, удовлетворяющего ужесточающиеся экологические требования, для дизелей нет. Поэтому при разработке комплекса антитоксичных устройств для транспортных средств с дизельным приводом необходимо учитывать тип дизеля, режим эго работы, тип топлива и состав его примесей, назначение тяговой единицы. Каждый из используемых элементов такой комбинированной системы должен вносить свой вклад в повышение экологической чистоты, без ущерба для экономичности дизелей.

Литература

1. И.Р. Голубев, Ю.В. Новиков. Окружающая среда и транспорт. - М: Транспорт, 1987. -207 с.

2. А.Э. Симсон. "ДВС Тепловозные дизели. Газотурбинные установки". - М: Транспорт, 1980. -328 с.

3. А. С. Орлин, М. Г. Круглова. ДВС Теория поршневых и комбинированных двигателей. М: Транспорт,1983.-485 с.

4. В.Г. Булаев. Снижение токсичности тепловозных дизелей.- "Железнодорожный транспорт". М: 1993/10. с. 45-48.

5. В.Г. Булаев, Ю.М. Козлов, Е.М. Тарасов. Антитоксичное устройство для маневровых тепловозов.-"Железнодорожный транспорт". М: 1989/2. с. 35-37.

6. "Альтернативные виды топлива для дизельного подвижного состава" Железные дороги мира. - №2/1998г. /с.28-33.

7. О.В. Крылов "Ограниченность ресурсов как причина предстоящего кризиса". Вестник российской академии наук. /том 70. №2,2000г./с136-146.

8. А.И. Смыслов, А.В. Мельник, И.П. Васильев. "Применение в дизелях растительного масла в качестве добавки к топливу". Вестник Восточно-украинского национального университета. 2000г. №9/31/.- с181-184.

9. А.П. Кудрявцев, А.В. Чичин, Э.К. Сакаев. Средства экологического контроля. -"Локомотив". М: 1999/3. с. 25-28.

10. И.П. Михайлова. Проблема борьбы с загрязнением атмосферы выхлопными газами автомобилей. Серия обзоров. Москва. ГОСИНТИ, ПБГ, 1971/5.-70 с.

11. Н.Я. Говорущенко. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. - М: Транспорт, 1990. -135 с.

12. Р.В. Малов, В.И. Ерохов, В.А. Щетина, В.Б. Беляев. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. -М: Транспорт, 1982. -200 с.

13. Спасательный круг для двигателя: "Сфера – 2000"" Авто еженедельник №26 от 4.07.2000г.

14. А.В. Чичин Природу защитит "Сфера 2000" "Локомотив". М: 2001/2. с37-40.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.