Способы и технические средства снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств при работе в помещениях сельскохозяйственного назначения
На правах рукописи
ТРИШКИН Иван Борисович
СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ
ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Мичуринск-Наукоград РФ 2014 2
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учре ждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехноло гический университет имени П. А. Костычева» (ФГБОУ ВПО РГАТУ) на кафедрах «Сель скохозяйственные, дорожные и специальные машины», «Механизация животноводства».
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель
Научный консультант науки и техники РФ Владимир Федорович Некрашевич
Официальные оппоненты: Истомин Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор, Поволжский межрегио нальный филиал федерального государственного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт охраны и экономики труда» Министерства здравоохранения и социально го развития Российской Федерации, заместитель директора по научной работе и общим вопросам Макаров Валентин Алексеевич, доктор технических наук, профессор, государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский инсти тут механизации агрохимического обслуживания сельского хо зяйства Россельхозакадемии», главный научный сотрудник Лебедев Анатолий Тимофеевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государст венное бюджетное образовательное учреждение высшего про фессионального образования «Ставропольский государствен ный аграрный университет», руководитель инновационной ла боратории «Восстановление и упрочнение деталей машин», за ведующий кафедрой технического сервиса, стандартизации и метрологии Государственное научное учреждение «Всероссийский научно
Ведущая организация исследовательский технологический институт ремонта и экс плуатации машинно-тракторного парка Российской академии сельскохозяйственных наук»
Защита диссертации состоится « 17 » апреля 2014 г. в 10-00 часов на заседании диссер тационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государст венный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул.
Интернациональная, д. 101, зал заседаний диссертационных советов, тел./факс (47545) 5-32-13, E-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета ФГБОУ ВПО «Мич ГАУ», с авторефератом на сайтах www.vak.ed.gov.ru и www.mgau.ru.
Автореферат разослан «_» 20_ г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент В.Ю. Ланцев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Основами продовольственной безопасности РФ явля ются увеличение объемов производства основных видов животноводческой и растениеводческой продукции. Рост поголовья и повышение продуктивности скота, птицы, основных видов сельско хозяйственных культур должны происходить при одновременном поддержании высокого качест ва конечного продукта. Достижение поставленных задач невозможно без улучшения условий со держания сельскохозяйственных животных и произрастания растений. Это подразумевает созда ние оптимальных параметров микроклимата животноводческих помещений и помещений защи щенного грунта, а также создание условий для безопасного и высокопроизводительного труда ра ботников сельскохозяйственных предприятий.
Одной из причин, вызывающих нарушение воздушно-газового режима атмосферы помеще ния и, как следствие, влекущих за собой ухудшение условий труда, качества продукции, сокраще ние срока службы зданий и сооружений, является эксплуатация мобильной техники, на которой используются дизельные двигатели, обладающие меньшей токсичностью и большей экономично стью по сравнению с бензиновыми аналогами. Вместе с тем постоянное использование их способ ствует накоплению в воздушной среде помещений токсичных компонентов (ТК) отработавших газов (ОГ).
Поэтому создание экологически безопасных условий жизнедеятельности в помещениях сельскохозяйственного назначения с работающими мобильными энергетическими средствами (МЭС) с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является актуальной проблемой, решение ко торой вносит значительный вклад в развитие агропромышленного комплекса страны.
Для решения указанной проблемы предлагается комбинированный метод, включающий мо дернизацию системы питания и отвода ОГ дизельного ДВС* и создание устройств отвода ОГ из помещения.
Исследования проводились в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВПО «Рязанский государ ственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева» в 1987-2013 годах и долго срочной целевой программы «Улучшение экологической обстановки в Рязанской области» на 2010-2015 годы от 13.10.2009 г. №273.
Степень разработанности темы. Для снижения токсичности ОГ дизельных ДВС исполь зуются следующие методы: изменение конструкции ДВС, применение альтернативных видов то плива, улучшение качества топлива, оптимизация режимов работы ДВС, поддержание технически исправного состояния МЭС, очистка ОГ. Однако использование разработанных средств снижения токсичности ОГ на основе существующих способов недостаточно эффективно в виду низкой сте пени очистки, высокой стоимости и небольшого срока службы устройств и помещений сельско хозяйственного назначения.
Анализ работ В.А. Звонова, Б.И. Смайлиса, И.Л. Варшавского, В.А. Лиханова, С.В. Истомина, В.А. Стрельникова, Т.Ю. Саловой, С.Н. Девянина, И.Е. Либерова, Е.В. Лунина и других авторов показал, что предлагаемые способы направлены на снижение токсичности различ ными путями, но это не решает проблемы вредного влияния ОГ на растения, организм человека и * В дальнейшем в тексте – система питания.
животных, так как постоянно происходит накопление вредных веществ (ВВ) в помещении, где ведутся работы с использованием МЭС с дизельными ДВС.
Вопросы о закономерностях состояния воздушной среды и обеспечении экологической безопасности помещений сельскохозяйственного назначения с используемыми в них МЭС изуче ны недостаточно.
Цель и задачи. Улучшение условий жизнедеятельности (человека, животных, растений) в помещениях сельскохозяйственного назначения с функционирующими в них мобильными энер гетическими средствами с дизельными двигателями внутреннего сгорания путем снижения ток сичности отработавших газов за счет совершенствования системы питания, а также посредством отвода отработавших газов из помещений.
Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:
1. Разработать и обосновать конструктивно-технологические схемы устройств предваритель ного пароозонирования и обогащения присадкой сжиженного газа воздушного заряда, жидкостно го нейтрализатора, электрического сажевого фильтра, отвода отработавших газов дизельных дви гателей мобильных энергетических средств работающих в помещениях сельскохозяйственного назначения.
2. Разработать аналитическую модель воспламенения и горения дизельного топлива совмест но с присадкой сжиженного газа и обосновать оптимальные параметры устройства обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа при совершенствовании системы питания дизель ного двигателя.
3. Разработать математическую модель процесса и обосновать оптимальные параметры уст ройства для предварительного пароозонирования воздушного заряда системы питания дизельного двигателя.
4. Разработать математические модели процесса нейтрализации отработавших газов и обос новать оптимальные параметры электрического сажевого фильтра (ЭФ) и жидкостного нейтрали затора (ЖН).
5. Разработать математическую модель процесса и обосновать оптимальные параметры уст ройств отвода отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств из помещений сельскохозяйственного назначения.
6. Провести проверку предложенных способов и разработанных устройств в лабораторных и производственных условиях и дать оценку технико-экономической эффективности их использо вания для обеспечения экологической безопасности при работе МЭС с ДВС в помещениях сель скохозяйственного назначения.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы улучшения состояния воздушной среды в помещениях сельскохозяйственного назначения с рабо тающими в них МЭС с ДВС путем разработки теоретических положений и обобщения законо мерностей, в результате которых предложены:
- метод анализа состояния и динамического взаимодействия атмосферы в помещениях сельскохозяйственного назначения с выбросом токсичных веществ (ТВ) ОГ дизельного ДВС;
- математические модели сажевого фильтра и системы удаления ОГ из помещений;
- математические модели системы обогащения воздушного заряда присадкой сжижен ного газа, пароозонирования воздушного заряда;
- математическая модель системы влажной очистки ОГ.
Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена 15 па тентами РФ на полезную модель.
Теоретическая и практическая значимость работы: разработанные методики расче та конструктивно-технологических параметров комплекса устройств системы питания ди зельных ДВС для снижения токсичности и отвода ОГ из помещений, метод анализа состоя ния и динамического взаимодействия атмосферы в помещениях сельскохозяйствен-ного на значения с выбросом токсичных веществ (ТВ) ОГ дизельного ДВС имеют теоретическую значимость и получили подтверждение в практической работе.
Полученные результаты имеют большую значимость для проектно-конструкторских организаций (разработка конструкций машин и оборудования, отдельных элементов, мето дика обоснования конструкций и их классификация), государственных и частных предпри ятий, отраслевых министерств, организаций планирования (при разработке концепций, про гнозов, планов, методических рекомендаций, программ обоснования стратегий, различных нормативных документов по обеспечению продовольственной безопасности страны), в вузах (при чтении лекций, проведении лабораторных работ и практических занятий, выполнении курсовых и дипломных работ).
Методология и методы исследования.
В теоретических исследованиях использовались законы гидродинамики, теплотехники, аэродинамики, электротехники и теоретической механики. При экспериментальных исследо ваниях использовались общеизвестные методики, а также разработанные на их основе част ные методики. При этом использовались современные приборы и оборудование, а также стенды для испытаний: САК-670 (дизель Д-21А, Д-120), КИ-8927 (трактор Т-25А, Т-30), КИ 2118А (дизель Д-243). Обработка экспериментальных данных проводилась методами мате матической статистики с использованием современных компьютерных программ.
Положения, выносимые на защиту:
- конструктивно-технологические схемы предлагаемых устройств;
- математические модели процесса работы усовершенствованых дизельных ДВС МЭС за счет обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа и озонируемого пара на впуске и ре зультаты их испытаний;
- математические модели нейтрализации ОГ ЭФ и ЖН и результаты их испытаний;
- математическая модель системы отвода ОГ из помещений и результаты ее испытаний;
- результаты производственной проверки предложенных устройств и результаты оценки тех нико-экономической эффективности предложенных усовершенствованных устройств по обеспе чению экологической безопасности при работе дизельных ДВС в помещениях сельскохозяйствен ного назначения.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и их достаточной сходимостью с теоретическими данными, использованием действующих и новых разработанных методик, совре менной измерительной аппаратуры и разработанных новых экспериментальных стендов, обработ кой экспериментальных данных с помощью компьютерных и математических программ.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно практических конференциях ФГБОУ ВПО РГАТУ, Рязань, 1988-2013 гг.;
на Всесоюзной научно технической конференции «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания», Киров ский сельскохозяйственный институт, 1988 г.;
региональной научно-практической конференции «Вклад молодых ученых и специалистов в интенсификацию производства и перестройку работы АПК», Казань, 1990 г.;
в Санкт-Петербургском ГАУ в 1988-1992гг.;
на 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья в г. Чебоксары, 1998г.;
Межвузовской научно технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые технологии в учеб ном процессе и производстве», Рязанский институт МГОУ, 2004г.;
Всероссийской научно практической конференции «Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспек тивы», Ульяновская ГСХА, 2005г.;
Межвузовской конференции «Конструирование, использование и надежность машин с/х назначения», Брянская ГСХА, 2006г.;
«Инновации в области земледельче ской механики». Международной научно-практической конференции, посвященной 140-летию со дня рождения В.П. Горячкина 2008г.;
Всероссийской научно-практической конференции «Пробле мы инновационного развития агропромышленного комплекса» 20-21 октября 2009 г. ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2009г.;
«Всероссийский конкурс на лучшую научную работу среди аспирантов и моло дых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ» 2009 г., номина ция «Технические науки»;
«Зворыкинский проект» программа Федерального агентства по делам молодежи, 2009 г.;
Всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение ус тойчивого развития АПК», Уфа, 2011 г. Опытные макетные образцы тракторов оборудованных модернизированной системой питания, неоднократно демонстрировались на выставках НТТМ в г. Рязани.
Результаты исследований и хозяйственных испытаний используются в Рязанском тепличном комбинате «Солнечный», МУП «Рязанские городские распределительные сети», ГУП ПНО «Пойма» Луховицкий район Московской области, ОАО «Рыбновская сельхозтехника» Рыбновского района и Автодорсервис Клепиковского района, ООО «Агрофирма МТС «Нива Рязани» Пителин ская», ООО «Агроводдорстрой» и ООО «Дорстройсервис», Сасовском дорожно-строительном предприятии «KAUF», ООО «Веста», ООО «Рязанский опытный ремонтный завод», СПК «Ла каш» Спасского района Рязанской области.
Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе и на учной работе в ФГОУ ДПО «Коломенский институт переподготовки и повышения квалификации руководящих кадров и специалистов», ФГБОУ ВПО СПбГАУ, ГНУ «Всероссийский научно исследовательский институт механизации животноводства» (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакаде мии). ОАО «Проектный институт Рязаньагропромспецпроект» принял результаты исследований для внедрения при проектировании строений в АПК закрытого типа (животноводческие помеще ния, теплицы, склады и др.).
Результаты исследований по данной диссертации были доложены на заседании НТС мини стерства сельского хозяйства Рязанской области и министерства природопользования и экологии Ря занской области, одобрены и рекомендованы к широкому внедрению на предприятиях АПК.
Основные положения диссертации опубликованы в 51 научном труде, в том числе двух мо нографиях, в 11 научных работах в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, 15 патентах РФ на полезные модели.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность работы, основные положения, которые выносятся на защиту, дана ее общая характеристика.
В первой главе «Анализ способов и технических средств обеспечения экологической безо пасности при работе МЭС с ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения» приведен анализ работ по исследуемой проблеме, рассмотрены факторы, определяющие микроклимат в по мещениях сельскохозяйственного назначения, проведен обзор известных технических решений и исследований в данной области, сформулированы направления совершенствования системы пита ния ДВС МЭС (рисунок 1) для создания безопасных условий жизнедеятельности в помещениях сельскохозяйственного назначения.
На основе проведенного анализа работ В.А. Звонова, Б.И. Смайлиса, И.Л. Варшавского, В.А.
Лиханова, С.В. Истомина, В.А. Стрельникова, Т.Ю. Саловой, С.Н. Девянина, И.Е. Либерова, Е.В.
Лунина и других авторов сформулированы цель и задачи исследований.
Рисунок 1 – Схема направления совершенствования снижения токсичности ОГ ДВС Во второй главе «Исследование процесса обогащения воздушного заряда сжиженным га зом с целью снижения токсичности ОГ ДВС» дан теоретический анализ динамики состояния вен тилируемой атмосферы теплицы при выполнении в ней энергоемких операций по обработке грун тов в теплице, время года – зима. В частности определялась степень загрязнения воздушной среды атмосферы теплицы ВВ, содержащимися в ОГ ДВС МЭС.
В качестве объекта исследования были приняты типовые двухскатные теплицы площа дью 1 га со средней их высотой 3м ОАО «Тепличный комбинат» Рязанской области. Всего комбинат располагает тремя тепличными блоками общей площадью 18 га.
В ходе исследований решались задачи по изучению воздухообмена в теплице с естественной вентиляцией и определялись соответствующими типовыми приборами температура воздуха, его относительная влажность, атмосферное давление, скорость движения воздуха, содержание в воз душной среде оксидов азота, оксида углерода, суммы углеводородов.
Для представления динамики изменения концентрации ВВ в воздушной среде атмосфе ры теплиц нарабатывалась токсичная атмосфера, проводились соответствующие замеры, ре зультаты которых представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Динамика изменения состояния атмосферы теплицы без вентиляции.
Концентрация, мг/м Наименование ПДК, Превышение Достижение вредных веществ мг/м до начала ра- ПДК, ПДК при вен через 1 час после 3-х раз тиляции, ч боты работы часов работы Оксиды азота 0,085 0,0004 0,273 0,906 10,7 Оксид углерода 5,000 0 6,5 14,020 2,8 2, Сумма углеродов 1,000 0 4,21 11,600 11,6 Из таблицы 1 следует, что при выполнении энергоемких механизированных работ в те плице естественная вентиляция не обеспечивает требуемый воздухообмен.
Возможность применения тракторов при работе в теплицах с различной степенью ин тенсивности естественной вентиляции выражается условием:
Вi (1) С i, Q в где [С] i – ПДК i - го вредного компонента в воздухе теплицы;
B i - выделение i - го вредного компонента дизельным двигателем;
Q e - объем воздуха, в котором распространяется ВВ, вы деляемое двигателем в единицу времени.
Это выражение справедливо при допущениях: параметры воздушного потока и выде ление ВВ существующим ДВС не изменяются во времени;
скорость диффузии ОГ бесконеч но большая во всех направлениях;
ВВ ОГ распространяются в объеме равномерно.
Концентрация ВВ в зоне загрязнения будет:
(2) В С С0, Q в где В о - количество ВВ, выделенного двигателем;
С о - начальное содержание ВВ в воздухе помещения.
Объем количества ВВ В о, выделяющегося при работе дизельного ДВС составит:
(3) В0 СГ М Г, где С Г - концентрация токсичного компонента в ОГ, г/м3;
М Г - количество ОГ, м3.
Объем ОГ у четырехтактных ДВС без наддува можно определить по выражению:
(4) М Г (0,021...0,025) i Vh n, где i - число цилиндров двигателя;
V h - рабочий объем цилиндра;
п - частота вращения ко ленчатого вала двигателя.
С учетом уравнений (3) и (4) выражение (2) примет вид:
(5) i Vh n C Г t C, С0 0, Q в где t - время работы трактора.
Выражение (5) справедливо при условии, что во время работы трактора отсутствует вентиляция помещения.
При выполнении энергоемких работ в теплицах (основная обработка почвы), как пра вило, трактор работает при открытых фрамугах, т.е. при функционирующей естественной вентиляции с определенной кратностью воздухообмена.
Полагая, что с момента начала работы трактора концентрация ВВ постепенно нарастает при одновременном выносе части ВВ вентиляционным потоком за пределы теплицы, ско рость изменения концентрации ВВ в помещении составит:
. (6) dc B dt Q в Скорость изменения количества ВВ в теплице прямо пропорциональна выносу этих веществ вентилируемым воздухом:
(7) dB kB.
dt После соответствующих преобразований и решения уравнения получим:
(8) B B0e kt, где В о - выделение дизельным ДВС ВВ.
Подставим выражение (8) в уравнение (6), получим:
dc B0 kt. (9) е dt Q в Проинтегрировав это уравнение при начальных условиях t=0, C=C 0 и преобразовав, получим: (10) 0,021СгiVh n (1 e kt ).
С С KQ в Тогда условие использования дизельного двигателя без нанесения экологического ущерба в данном помещении при работающей вентиляции примет вид:
(11) СгiVh n (1 e kt ) C.
С0 0, kQ в Так как существующий способ естественной вентиляции не гарантирует устойчивый воздухообмен, поэтому необходима разработка мероприятий по снижению токсичности ОГ дизельного ДВС.
При обосновании выбора количества присадки сжиженного газа, опираясь на науч ные труды Д. Н. Вырубова, А. И. Толстого, И. Е. Либерова, Л. Я. Орлова, учитывалась необходимость достаточного запаса теплоты для прогрева смеси.
Для облегчения воспламенения смеси необходимо иметь температуру воздуха рав ную температуре воспламенения (минимальной) при требуемой величине задержки вос пламенения:
(12) Т вос min Т см Т ВП, где Т вос min - минимальная температура воспламенения смеси;
Т см, Т вп - соответственно темпе ратура смеси в момент воспламенения и среды в момент впрыска топлива.
Условие будет выполняться, если при впрыске топлива температура воздуха Т ВП не по низится до величины меньшей, чем Т восmin =Т см, вследствие расхода теплоты на нагрев, испа рение и перегрев паров топлива.
Это условие можно записать:
(13) Q Q 0, П Q - теплота, сообщаемая воздуху и топливу от начала впрыска до начала его воспламе где нения;
Q П - потери теплоты на нагрев и испарение топлива, перегрев его паров и нагрев газовоздушной смеси.
Составляя баланс теплоты, сделаем следующие допущения: топливо, подаваемое в дизель ный двигатель в период такта всасывания, нагревается за счет теплоты остаточных газов;
основ ное топливо q осн, поданное в период задержки воспламенения, состоит из однородных капель с некоторым средним диаметром и за период i 0 полностью испаряется.
Нагрев, испарение топлива, а также перегрев его паров происходит за счет энергии сжатого воздуха.
Теплота, расходуемая на нагрев всего дополнительного топлива от начала впуска до конца периода нагрева:
(14) dТ доп tкн Qн qдоп доп С Г г dt, доп dt tнв доп доп где t нв, t кн - соответственно время начала впуска и конца периода нагрева дополнительного топ лива.
В первом приближении допускаем прямолинейный характер изменения температуры до полнительного топлива по времени, поэтому теплоту, идущую на нагрев, можно записать как:
Qн q допСг (Т г Т го ), доп (15) где Т го, Т г - температура дополнительного топлива соответственно начальная и в конце пе риода нагрева.
Теплота, расходуемая на нагрев смеси дополнительного топлива с воздухом в процессе сжатия, определится из выражения:
(16) Qн GсмСсм (Т г Т го ), см где G cм - масса смеси;
С см - средняя теплоемкость смеси.
Массу смеси можно подсчитать по выражению:
(17) Gсм q доп доп L0 (1 ), доп - коэффициент избытка воздуха смеси по дополнительному топливу;
L0 - теоретически где необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива;
- коэффициент остаточных газов.
Теплота, расходуемая на нагрев газовоздушной смеси в процессе сжатия, будет равна:
Qн q доп доп L0 (1 )Ссм (Т г Т го ).
см (18) Теплота, затраченная на прогрев основного топлива, которое впрыскивается за время от начала впрыска до конца нагрева (начала испарения), составит:
(19) осн tисп dTк Qн qiоснСк осн dt, dt осн tвп осн осн где tисп, t вп - соответственно время конца нагрева и начала впрыска.
Аналогично, как и при определении Qндоп, можно записать:
(20) Qн qiосн Ск (Т к Т к 0 ), осн где Т к0, Т к – соответственно температура капли основного топлива в начале и в конце пе риода нагрева;
С к - теплоемкость паров основного топлива.
Температура испарения и перегрева паров основного топлива за время dt определится из выражения: (21) dQкосн dqiосн J Cк (Т вп Т r), где J - теплота парообразования топлива, являющаяся функцией температуры;
Т вп - температура капли в рассматриваемый момент;
С к - теплоемкость паров топлива.
Так как: (22) dqiосн Кdt, qiосн то: (23) dQн dqiосн К J Cк (Т вп Т к ) dt, осн где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры среды, размера капель и сорта топлива.
Обозначим: (24) (t ) ( J Cк (Т вп Т к )).
осн Тогда общее количество теплоты, поглощенной qi за период испарения и перегрева вос паров t, будет равно: (25) tосн (t )dt Qн qiосн К осн.
осн tисп Полагая, что функция линейная в виде (t ) а bt и пренебрегая членами t2 ввиду их малости, окончательно выражение (24) примет вид:
(26) Qн qiосн Ка(tосн tисп ).
осн осн С учетом принятых выше допущений условие воспламенения топлива при подаче двух видов топлив на базе общего баланса теплоты в цилиндре дизельного двигателя, начиная от начала подачи дополнительного топлива до момента воспламенения, составит:
(27) Qв Qдоп Qн Q осн 0.
осн Подставляя в выражение (27) определенные выше составляющие теплового баланса (19, 20, 24), получаем после преобразований:
(28) tвос 1 п dV Р dt q [СГ (Т г Т го ) доп L0 (1 )Ccж (Т г Т го ) qi Ск (Т к Т к 0 ) Ка(tвос tисп ) 0.
доп осн осн к 1 tсж dt Полученное выражение (28) есть условие воспламенения топлива при подаче двух ви дов топлива. Оно указывает на более благоприятные условия воспламенения при таком способе организации рабочего процесса по сравнению с обычным.
Условие управляемости процессом сгорания при подаче двух видов топлива с вводом присадки сжиженного нефтяного газа в среду остаточных газов будет:
(29) t 1 n вос dV Р qmax доп dt.
(Т г Т го )(С Г Ссж доп L0 (1 )) k 1 tсж dt Выражение (29) позволяет установить границы максимально возможной управляемости процессом сгорания при подаче двух видов топлива.
Лабораторные исследования способа подачи двух видов топлива, как средства снижения токсичности ОГ тракторного ДВС проводились на экспериментальной установ ке, схема которой представлена на рисунке 2.
1-блок приборов для контроля за техническим состоянием двигателя;
2-осциллограф ка тодный С-1-19;
3-устройство стробоскопическое;
4-усилитель ПШС-10;
5-пьезодатчик давле ния газов;
6-насос топливный высокого давления НД-21/2;
7- усилитель тиратронный;
8-двигатель Д-21А;
9- бак топливный, 10-весы ВНЦ;
11-кран трехходовой;
12- индикатор МАИ-2;
13-рама;
14-основание;
15-стойка;
16-стойка балансирная;
17-стенд тормозной постоянного тока САК-670;
18-тахометр механический центробежный ТМ-3;
19-пульт управления;
20 ресивер воздушный с роторными счетчиками PC-100;
21-баллон газовый;
22-счетчик газо вый ГКФ-400;
23-редуктор газовый понижающий;
24-термометр;
25-шкаф электрический;
26-датчик начала подъема иглы форсунки;
27-дозатор-смеситель газа;
28-пробоотборник отработавших газов;
29-сажемер и дымомер ЛАНЭ;
30-вал карданный.
Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки Программой исследований предусматривалось выявление путем сравнительных испытаний влияния предложенного способа и схемы системы подачи двух видов топлива на эффективные и токсичные показатели тракторного дизельного двигателя.
Результаты испытаний (рисунок 3) представляют собой совмещенные нагрузочные характеристики, снятые при определенных подачах сжиженного газа. Присадка газа особенно эффективна при номинальных нагрузках и перегрузках двигателя.
Установлено, что подачу сжиженного газа необходимо производить, когда нагрузка при ближается к номинальной или составляет 60...70% от нее. При более низких нагрузках подача газа не улучшает состав ОГ, а ведет к лишнему расходу газа и увеличению содержания в ОГ ток сичных веществ.
1-работа на дизельном топливе;
2-присадка газа G Г =0,274 кг/ч;
3-присадка газа G Г =0,754 кг/ч;
4-присадка газа G Г =0,910 кг/ч;
5-присадка газа G Г = 1,030 кг/ч.
Рисунок 3 – Влияние величины присадки газа на концентрацию оксидов азота (NOX) и сажи (Сж) Поэтому при разработке схемы газо подающей аппаратуры (Патент РФ на полез ную модель № 122710) (рисунок 4) учитывались эти условия. Питание двигателя 13 газом осу ществляется из баллона 1 с понижающим ре дуктором 10, соединенного газопроводом 2 с электромагнитным клапаном 3, который откры вается выключателем 6, соединенным с ис точником питания 4, его включенное со стояние контролируется сигнальной лампой 5. Подачу дизельного топлива обеспечивает топливный насос высокого давления 11 по топливопроводу 14 к форсунке 12.
Рисунок 4 – Схема модернизированной системы питания дизеля Д-21А От электромагнитного клапана газ поступает к газовому корректору 9, а затем в до затор – смеситель 8, установленный на впускном трубопроводе 7 двигателя..
Включение и выключение подачи газа осуществляется газовым корректором автомати чески, в зависимости от нагрузки (Патент РФ на полезную модель №123466) (рисунок 5).
Корректор устанавливается на крышке корпуса регулятора топливного насоса. Штифт упирается нижним концом на верхний торец толкателя корректора 2, а верхним концом упирается в игольчатый клапан. В полости А установлена пружина 12, усилие которой регулируют проклад ками штуцера 11, ввернутого в верхний торец корпуса 8. Полость А через штуцер, трубопровод и электромагнитный клапан сообщается с понижающим редуктором и далее с газовым баллоном.
Полость Б через трубопровод, подсоединенный к штуцеру, сообщается с впускным коллектором двигателя. При снижении скоростного режима двигателя из-за роста нагрузки в работу вступает корректор. Корректор увеличивает подачу основного дизельного топлива и одновременно с по мощью толкателя 2 и штифта 5 плавно открывает игольчатый клапан 10. Расход газа плавно воз растает при увеличении нагрузки. Газ из баллона через редуктор поступает в полость А, а затем в полость Б, из которой - во впускной трубопровод двигателя.
1 - пружина всережимного регулято ра;
2 - толкатель;
3 - задняя крышка корпуса насоса;
4 - корпус корректо ра;
5 - штифт;
6 -пружина корректора;
7 - винт регулировочный;
8 - корпус газового корректора;
9 - корпус седла клапана;
10 -игольчатый клапан;
11 штуцер;
12 - пружина клапана;
13 седло клапана;
14 - уплотнительное кольцо;
15 - шток корректор.
Рисунок 5 – Общая схема газового корректора Проверка эффективности метода снижения токсичности ОГ обогащением воздушного заряда дизельного двигателя присадкой сжиженного газа проводилась путем моторных стендовых испы таний двигателя в специализированной лаборатории.
Данные, представленные на рисунке 6, получены при работе двигателя на номинальной мощности 18,4 кВт, при номинальном - 1800 мин-1 скоростном режиме. При расходе газа обогати теля 0 кг/ч двигатель работает на дизельном топливе.
Из результатов испытаний следует, что подача газа в количестве 1,12 кг/ч обеспечивает снижение одного из самых токсичных компонентов ОГ - сажи в 3,24 раза по сравнению с рабо той на дизельном топливе, оксидов азота на 14%, оксида углерода на 4%.
Дальнейшее увеличение подачи газа ведет к возникновению в двигателе Д-21А де тонационного сгорания.
Производственная проверка эффективности работы газоподающей аппаратуры была проведена в помещениях теплиц ОАО «Тепличный комбинат» (рисунок 7).
Из данных (рисунок 7) следует, что после трех часов непрерывного выполнения основной энергоемкой операции по обработке тепличного грунта машинно-тракторным агрегатом (МТА) (трактора Т-25А с модернизированной системой питания и роторного копателя КР-1,5), при от ключенной естественной вентиляции, концентрация ТВ в атмосфере теплицы уменьшилась по ок сидам азота на 31%, оксиду углерода на 40% и сумме углеводородов на 39%.
Рисунок 6 – Результаты стендовых моторных испытаний двигателя Д-21А Рисунок 7 – Изменение концентрации ВВ при выполнении энергоемких работ Таким образом, предложенный и реализованный способ снижения токсичности обогащени ем воздушного заряда на впуске присадкой из сжиженного газа позволяет значительно понизить токсичность ОГ ДВС Д-21 А.
В третьей главе «Влияние рабочего процесса пароозонирующего устройства на сни жение токсичности и дымности ОГ дизельного ДВС» представлена конструктивно технологическая схема системы для обработки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением на рисунке 8.
При работе дизельного двигателя 6 на штатной системе питания топливо из топливного насоса 12 под давлением поступает по топливопроводу 14 в форсунку 15 и далее впрыскивается в цилиндр (на рисунке не показан) двигателя 6 (Патенты РФ на полезные модели № 47448 и № 51120).
Воздух 5 В А 12 11 10 7 Рисунок 8 – Система подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор ДВС Воздушная смесь, для воспламенения топлива поступает в цилиндр дизельного двига теля 6 через воздухоочиститель, приемный патрубок А устройства для обработки паро воздушной смеси ультрафиолетовым излучением 4 имеет эжектор (рисунок 9) и впускной коллектор 5. При замыкании электрической цепи включателем 8, оснащенной источником электрического питания 7, в работу вступает корректор-включатель 10, что контролируется сигнальной лампой 9. С рост ом нагрузки снижается скоростной режим дизельного двигателя 6, срабатывает центробежный регулятор 11 топливного насоса 12 высокого давления. Кор ректор-включатель 10 автоматически замыкает электрическую цепь электромагнитного па рового клапана 3 и излучателя В устройства 4 для обработки паро-воздушной смеси ультра фиолетовым излучением. Водяной пар из парогенератора 1 по паропроводу 2 через открыв шийся электромагнитный клапан 3 поступает в приемный патрубок А устройства 4 для обра ботки паро-воздушной смеси ультрафиолетовым излучением, где смешиваясь с воздухом, пар подвергается обработке ультрафиолетовым излучением, поступающим от излучателя В.
Далее облученная паро-воздушная смесь по впускному коллектору 5 поступает в цилиндр двигателя 6. При воздействии ультрафиолетовым излучением на паро-воздушную смесь, происходит активирование молекул кислорода, имеющихся в этой смеси. Это приводит к увеличению полноты сгорания смеси, приготовленной в цилиндре двигателя, при более ров ной волне горения. В связи с этим снижается токсичность ОГ дизельного ДВС.
Расчет основных параметров эжектирующего устройства проводится по следующим показателям.
Площадь выходного сечения сопла:
G1, (29) F 1v1 П где G 1 – количество рабочего газа (водяного пара), кг/ч;
1 – плотность рабочего газа (водя ного пара), кг/м ;
v1П – скорость эжектируемого рабочего газа, м/с.
Площадь начального сечения диффузора:
F3 = F1 m1, (30) где m 1 = 2(1 + u) уравнение эжектирующего устройства для участка струи от сопла до мес та соприкосновения со стенкой диффузора.
ВОЗДУХ Р1В, Т1В, v1В l1 СМЕСЬ ПАРО-ВОЗДУШНАЯ ПАР ВОДЯНОЙ D D D F Р2СМ, Т2СМ, v2СМ Р1П, Т1п, v1п L l 2 1, 2 – соответственно активное и пассивное сопла жиклера подачи водяного пара;
3 – вход ное сечение диффузора;
4 – струя водяного пара;
5 – диффузор;
F 2 – площадь кольцевого се чения пассивного сопла;
D 1 – диаметр активного сопла;
D 3, D 4 – соответственно диаметры входного и выходного сечения диффузора;
L – вынос рабочего (активного) сопла относи тельно входного сечения диффузора (заштрихована область условной камеры смешения);
l – расстояние до места соприкосновения струи со стенками диффузора;
l 2 – длина диффузора;
- угол раскрытия диффузора;
- угол схождения камеры смешения;
Р 1п, Т 1п, v 1п – началь ное давление, температура и скорость водяного пара;
Р1в, Т1в, v1в – начальное давление, температура и скорость воздуха;
Р 2см, Т 2см, v 2см – давление, температура и скорость паро воздушной смеси.
Рисунок 9 – Схема эжектирующего устройства и условные обозначения Площадь конечного сечения диффузора:
F4 = F3, (31) где =F 4 /F 3 угол раскрытия диффузора.
Расстояние от сопла до места соприкосновения расширяющейся эжектирующей струи со стенками диффузора определим по уравнению:
l 1 = D 1 4(1 + u) – 1,8, (32) G где u - коэффициент эжекции.
G Расстояние от сопла до входа в диффузор (вынос рабочего сопла):
L = l 1 – 0,5D 3. (33) D4 D Длина диффузора равна:. (34) l 2tg / Лабораторные исследования проводились в лаборатории испытаний автотракторных двига телей ООО «Рязсельхозтехника» по структурной схеме, представленной на рисунке 10. Объектом исследований был четырехцилиндровый дизельный двигатель Д-243 Минского тракторного заво да.
Рисунок 10 – Структурная схема экспериментальных исследований В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены ма тематические модели зависимости концентраций токсичных компонентов ОГ от количества подачи водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения:
- для оксида углерода: СО % 99,9989 3,0483G П 8,803W 0,0001G П 0,0003G ПW 0,002W 2 ;
(35) - для углеводородов: СН % 100 0,248GП 2,6933W 8,807Е 15GП 7,2782Е 14GПW 4,9183Е 13W 2 ;
(36) - для оксида азота: N Ох % 99,9986 6,3521GП 16, 6236W 1, 0858 Е 14G П 2, 7877 Е 15G ПW 0, 0051W ;
(37) - для сажи: Сажа % 100 0,8772GП 59,8667W 1,9908Е 15GП 2,9631Е 14GПW 4,9738Е 14W 2.
(38) Снижение концентраций оксидов углерода и азота зависит от увеличения количества подачи водяного пара при одновременном уменьшении мощности потока ультрафиолетового излучения. Для снижения концентраций углеводородов и сажи в ОГ требуется уменьшение подачи водяного пара и увеличение мощности потока ультрафиолетового излучения. При номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя (n ном =2200 мин-1) минимальное содержание оксидов углерода и азота в ОГ (СО=1,01 мг/л, NO X =2,16 мг/л) соответствует максимальному количеству подачи водяного пара (G n =6,612 м3/ч) и минимальной мощности потока ультрафиолетового излучения (W=0,01 кВт), содержание углеводородов и сажи (СН=0,02975 мг/л, сажа=0,092 мг/л) соответствует минимальному количеству подачи водя ного пара (G n =0,001 м /ч) и максимальной мощности потока ультрафиолетового излучения (W=1,500 кВт).
Из анализа вышесказанного, учитывая степень воздействия на человеческий организм токсичных веществ и их класс опасности, оптимальными величинами для дизельного двигате ля Д-243, с целью снижения токсичности его ОГ в целом, следует считать количество подачи водяного пара в размере 4,959 м3/ч и мощность потока ультрафиолетового излучения, эквива лентную 1,125 кВт.
Производственная проверка осуществлялась на базе МУП «Рязанские городские распре делительные электрические сети» в двух типовых складских помещениях общим объемом 62208 м3.
Установлено, что концентрация ВВ в атмосфере складского помещения после 4 часов непрерывного выполнения основных энергоемких операций по транспортировке и укладке груза универсальным самоходным автопогрузчиком модели 4045Р с модернизированной сис темой питания при неработающей естественной вентиляции уменьшилась. Концентрация ТВ в атмосфере закрытого помещения уменьшилась по оксиду углерода на 5,2%, сумме углево дородов - 1,8%, оксиду азота - 12,8% и по саже на 63%.
В четвертой главе «Исследование устройства по очистке отработавших газов от сажи с помощью электрического фильтра на выпуске дизельного двигателя» проведен анализ кон струкций ЭФ, в результате которого выявилось два фактора, оказывающие большое влияние на эффективность очистки ОГ от сажевых частиц:
– быстрое загрязнение сажей поверхности коронирующих электродов и электроизоля торов, что приводит к нарушению режима горения коронного разряда;
– вторичный унос значительной части сажевых частиц с поверхности осадительного электрода потоком ОГ двигателя.
С целью устранения этих недостатков была разработана конструкция ЭФ (Патенты РФ на полезные модели № 56964 и № 56965), схема которой представлена на рисунке 11.
1 – корпус фильтра;
20 19 1 7 16 1 5 2 – направляющая ось;
21 3 – металлическая путанка;
4 – подвижный стакан;
22 5 – диэлектрическая пластина;
6 – направляющая;
7 – очиститель сажи;
8 – некоронирующий электрод;
9 – диэлектрическая втулка;
10 – источник высоковольтного питания;
11 – диэлектрическая втулка;
12 – болт;
3 4 5 20 6 7 13 – выпускной канал;
9 14 –большой сажесборник;
15 –малый сажесборник;
16 – диэлектрическая шайба;
17 – уплотнительная прокладка;
18 – планка;
19 – пружина;
20 – коронирующий электрод;
21 – перегородка;
22 – впускной канал.
Рисунок 11 – Схема электрического фильтра Устройство работает следующим образом. ОГ через впускной канал 22 поступают в ЭФ.
Ввиду того, что напротив впускного канала установлены поперечная перегородка 21 и подвижный стакан 4 происходит снижение скорости ОГ двигателя на участке горения коронного разряда, что является условием для эффективного протекания процесса электрической зарядки частиц сажи.
При подаче высокого напряжения к коронирующим электродам 20 между ними и некоронирую щими электродами 8 зажигается коронный разряд, в результате чего межэлектродный промежуток будет заполнен отрицательно заряженными ионами газа. ОГ двигателя ионизируются в поле отри цательной короны, т.е. частицы сажи приобретают отрицательный заряд (вследствие адсорбции на них отрицательных ионов). Это обусловлено тем, что подвижность отрицательных ионов выше, чем положительных.
В результате частицы получают положительный заряд некоронирующего электрода, отталки ваются от него и возвращаются в поток ОГ. С потоком ОГ заряженные сажевые частицы поступа ют в зону выпускного канала 13, где последовательно проходят через большой 14 и малый 15 са жесборники. Такое расположение сажесборников способствует более полному улавливанию сажи, так как поток газов при выходе в атмосферу совершает разворот на 360°, тем самым прижимая сво ей струей осевшие частицы сажи к торцевым перегородкам сажесборников. Учитывая, что боль шой сажесборник 14 подключен к положительному полюсу, а малый сажесборник 15 к отрица тельному полюсу источника 10 высоковольтного питания, частицы сажи, имеющие противопо ложный заряд по отношению к потенциалу сажесборника, осаждаются на его поверхности, а очи щенные ОГ двигателя через выпускной канал 13 выходят в атмосферу.
Для обеспечения наибольшей эффективности процесса электрической зарядки и осаждения сажевых частиц скорость потока ОГ через активную зону ЭФ не должна превышать 2,5 м/с.
На рисунках 12 и 13 показаны зоны зарядки и осаждения сажевых частиц соответственно.
D l S,D D,S D,S D,S D,S D 1, S h D d D l L 1 1 – впускной канал электрофильтра;
1 – коронирующий электрод;
2 – малый 2 – корпус электрического фильтра;
сажесборник;
3 – большой сажесборник;
3 – некоронирующий электрод;
4 – выпускной канал электрофильтра;
4 – перегородка;
5 – коронирующий элек- 5 – корпус электрофильтра.
трод.
Рисунок 13 – Зона осаждения сажевых час Рисунок 12 – Зона электрической зарядки тиц в ЭФ сажевых частиц в ЭФ Общая площадь активной зоны ЭФ будет равна:
Q ОГ, (39) S VОГ где Q ОГ – максимальный расход ОГ через ЭФ, м3/с;
VОГ – необходимая скорость потока ОГ дви / гателя через ЭФ, м/с.
Учитывая, что в конструкции ЭФ предусмотрена установка двух зон зарядки сажевых час тиц, внутренний диаметр некоронирующего электрода D2 будет определяться как:
2 S (40) D Для полной зарядки частиц сажи необходимо, чтобы последние находились в активной зоне ЭФ не менее 0,1 с. При этом длина и диаметр некоронирующих электродов соответственно соста вят:
L VОГ t, (41) S D, (42) d 10 L где t –время пребывания ОГ в активной зоне ЭФ, с.
Диаметр малого сажесборника D 3 определяется как:
D3 D4 2D2 h, (43) где h – необходимый зазор между поверхностью некоронирующего электрода и малого са жесборника.
Общая площадь осадительных электродов будет:
2 D 2 L, (44) S Глубина сажесборников l с учетом, что D 3 = 0,5 D 4 составляет:
8 S 3 D. (45) l 12 D Величина потока ионов к единице поверхности частицы, определяющая процесс заряд ки, может быть подсчитана из следующего уравнения:
dN n l O kEN gradN, (46) dt где N п – число ионов, попадающих на единицу поверхности частицы, м–2;
Е – напряжен ность электрического поля у поверхности частицы, В/м;
N – концентрация ионов, ион/м3;
– коэффициент диффузии, м2/с;
– единичный вектор;
k – подвижность ионов, м2/(Вс).
lO Учитывая, что сажевые частицы имеют малое удельное сопротивление, выражение за рядки примет вид:
kN O l q qM, (47) 4 O kN O l где – время зарядки частиц, с.;
N O – начальная концентрация ионов коронного разряда, ио ны/м3;
l – величина заряда электрона, К;
q М – максимальный заряд частицы сажи, К;
О – ди электрическая проницаемость вакуума, Ф/м.
Напряженность электрического поля, необходимая для возникновения коронного раз ряда в активной зоне ЭФ, в функции от расстояния Х по радиусу от коронирующего электро да будет определяться как:
R 2, (48) R 2 iO 1 EO Е 4 O k Х x x где i O – линейная плотность тока, А/м;
R 1 – радиус коронирующего электрода, м;
Е О – кри тическая напряженность поля, В/м.
Линейная плотность тока коронного разряда в ЭФ:
(49) 2k U, iO U U R O 9 1 0 R 2 9 ln R где U – напряжение питания электродов фильтра, В;
R 2 – радиус некоронирующего электро да, м;
U O – критическое напряжение, В.
Электрическая мощность, потребляемая ЭФ, будет определяться:
U т I СР k Ф cos, (50) Р Р 1, 41 Э где U т – амплитудное значение напряжения, кВ;
I СР – среднее значение тока, потребляемого ЭФ, А;
k Ф – коэффициент формы кривой тока;
Э – КПД высоковольтного блока питания ЭФ;
1,41 – коэффициент перехода от амплитудного значения напряжения к эффективному;
Р 1 – мощность, потребляемая вспомогательными устройствами ЭФ, кВт.
Потери мощности на ЭФ определяются следующим выражением:
N n QМ / Н n Г g, (51) где Q М – максимальный расход ОГ двигателя, м3/с;
Н п – суммарные потери напора ОГ, м.г.ст;
Г – средняя плотность ОГ, кг/м3.
Суммарные потери напора газового потока в ЭФ составят:
P1 P 2 g V вх V вых h1, (52) Hn 2 g 1 где – коэффициент неравномерности распределения скоростей струй ОГ по сечению;
V ВХ, V ВЫХ – соответственно скорости ОГ на входе и выходе из ЭФ, м/с;
h 1-2 – сумма гидравличе ских потерь напора ОГ между сечениями 1-2.
Суммарные гидравлические потери определяются как:
ВП ВЫП lТРV V V22 V V ВЫХ (53) h1 2 2 2, ВХ 2g 2g D2 2 g где l ТР – длина трубы некоронирующего электрода, м;
D 2 – диаметр некоронирующего элек трода, м;
V 2 – скорость ОГ через активную зону ЭФ, м/с;
ВП, ВЫП коэффициенты гидрав лического сопротивления в зоне впускного и выпускного каналов ЭФ соответственно;
коэффициент гидравлического трения ОГ в ЭФ.
Лабораторные исследования проводились на базе лаборатории испытаний тракторов и автомобилей ФБГОУ ВПО РГАТУ. При проведении испытаний загрузка двигателя трактора Т-25А осуществлялась через трансмиссию беговыми барабанами диагностического стенда КИ-8927. В результате статистической обработки экспериментальных данных были получе ны математические модели определяющие зависимость дымности ОГ (С) от величины высо ковольтного напряжения питания ЭФ, а также величины общего тока потребления (J):
– режим максимальной мощности двигателя:
С = 30,6311+0,4217U - 31,7667t + 0,0011U2 - 0,25 U t + 52,3333 t2 ;
(54) – режим максимального крутящего момента двигателя:
C = 46,7289-0,2423 U - 55,2 t + 0,0143 U2+ 0,665 U t + 52,6667 t2 ;
(55) – режим максимальной мощности двигателя:
J = 14,3789 - 1,5007U - 1,0667 t + 0,0497 U2 + 0,215 U t - 5,3333 t2 ;
(56) – режим максимального крутящего момента двигателя:
J = 14,9922 - 1,5527 U - 2,8167 t + 0,0525 U2 + 0,015 U t +6,1667 t2. (57) Производственная проверка разработанной системы очистки проводилась в тепличных бло ках ОАО Рязанский тепличный комбинат «Солнечный» и в ООО «Автодорстрой» города Рязани.
В период производственной проверки на один из тракторов универсального типа семейства Т-25А (рисунок 14) была установлена система очистки ОГ, состоящая из опытного образца ЭФ и блока высоковольтного питания. Результаты замеров концентрации исследуемых ТВ сравнивались с аналогичными показателями воздушной среды теплицы при работе трактора со штатной системой выпуска.
Результатам производственной проверки разработанной системы очистки ОГ дизельного двигателя показали, что концентрация ТВ в атмосфере теплицы снизилась по саже на 22,4, бенз(а)пирену на 18 %, а сумме углеводородов на 14 %, что характеризует значительное снижение содержания ТВ в атмосфере теплиц.
1 – тумблер включения;
2 – провод питающий;
3 – штатный глушитель трактора;
4 – кронштейн крепления ЭФ;
5 – опытный образец ЭФ;
6 – провод высоковольтный;
7 – блок высоковольтного питания;
8 – опытный машинно-тракторный агрегат;
9 – лампа сигнализации включения системы очистки ОГ.
Рисунок 14 – Производственный машинно-тракторный агрегат на базе трактора Т-25А В пятой главе «Исследование жидкостного нейтрализатора отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания» представлена конструктивно-технологическая схема устройства для очистки ОГ дизельных ДВС (рисунок 15) (Патенты РФ на полезные модели № 77353, №83292, № 86665).
1- датчик положения коленчато го вала;
2,17 – времязадающие це пи;
3- металлические трубки для подачи нейтрализующего раство ра;
4 – выхлопной коллектор;
5 – аэрозольная камера;
6 - датчик положения регулятора;
7 – фор сунки;
8 – бак с нейтрализующим раствором;
9 – жидкостной насос;
10 – эжектор;
11 - центробежный каплеуловитель;
12 – ЖН;
13 – блок ключей;
14 – резисторная сборка;
15 – ключ;
16 – источник тока;
18 – интегральный блок таймер;
19 – ЭБУ.
Рисунок 15 – Схема устройства для очистки ОГ дизельных ДВС Устройство работает следующим образом. ОГ от дизельного ДВС поступают из выхлопного коллектора во впускной патрубок аэрозольной камеры. Проходя через конический завихритель во впускном патрубке поток газа приобретает направленное вращательное движение. Затем вихревой поток проходит обработку нейтрализующим раствором форсунками 7, установленными радиаль но в корпусе аэрозольной камеры 5. Впрыск аэрозоли осуществляется синхронно с частотой рабо ты двигателя и регулируется электронным блоком управления 19.
Одновременный впрыск эмульсии тремя форсунками 7 придает дополнительный враща тельный импульс движущемуся потоку. Процессы улавливания, химического связывания и ней трализации токсичных компонентов и сажевых частиц, содержащихся в ОГ, совершаются при не посредственном контакте между выходящими ОГ и мельчайшими каплями нейтрализующего рас твора, разбрызгиваемого форсунками 7 аэрозольной камеры 5, посредством чего достигается уве личение поверхности их контакта, что позволяет осуществить заданное изменение состояния ОГ в объеме, ограниченном аэрозольной камерой 5, в течение малого промежутка времени. Процесс осаждения сажевых частиц и токсичных веществ на каплях жидкости обусловлен массой жидко сти, развитой поверхностью капель и высокой скоростью движения частиц жидкости и сажи в корпусе и выпускном патрубке аэрозольной камеры. Эффективность осаждения в значительной степени зависит от равномерности распределения жидкости, подаваемой форсунками 7, по сече нию аэрозольной камеры 5.
По окончании обработки ОГ выводятся из корпуса 5 аэрозольной камеры через выпускной патрубок и эжектор 10, смешиваясь с атмосферным воздухом, поступают во впускной патрубок центробежного каплеуловителя 11. Проходя через конический завихритель двухфазный газожид костный поток приобретает направленное вращательное движение. При этом жидкая фаза и улов ленные ею посторонние не газообразные примеси под действием центробежных сил сепарируют ся на внутренней стенке корпуса центробежного каплеуловителя 11, а пар и очищенный газ по ступают в выпускной патрубок. Жидкая фаза в виде тонкой пристеночной пленки продвигается по корпусу центробежного каплеуловителя 11 и попадает в полость между выпускным патрубком и корпусом 11 и удаляется через трубу для отвода жидкости. Очищенная газовая фаза выводится через выпускной патрубок в атмосферу.
Для компенсации недостаточной степени очистки ОГ при работе двигателя в режиме повышенной нагрузки времязадающая цепь 2, определяющая продолжительность нахожде ния форсунки в открытом состоянии, содержит потенциометрический датчик положения ре гулятора 6 топливного насоса. Ползунок датчика 6, жестко связанный с основным рычагом регулятора, при его перемещении, в случае возникновения перегрузки, изменяет сопротив ление датчика 6 и всей времязадающей цепи 2, за счет чего блок-таймер 18 увеличивает вре мя нахождения форсунки 7 в открытом состоянии и, как следствие, увеличивает количество поступающего в единицу времени нейтрализующего раствора.
Суммарные гидравлические потери в аэрозольной камере (рисунок 16) можно выразить следующим образом:
1V12 1V12 l 2V22 V2 V h (58) вх д кон 2 э 3.
1 2g 2g d 2g 2g 2g Суммарные гидравлические потери в центробежном каплеуловителе (рисунок 17) со 3V32 3V32 l 4V42 V h12 вх ставят: (59) д вс, 2g 2g d 2g 2g где – коэффициент неравномерности распределения скоростей струй ОГ по сечению;
V n – скорость потока ОГ в соответствующем сечении камеры, м/с;
коэффициент гидрав лического трения ОГ.
Суммарные гидравлические потери в аэрозольной камере при подаче в нее орошающей жидкости составят:
H h12 hж (60), h где – суммарные гидравлические потери в сухой аэрозольной камере, Па;
1 hж – гидравлическое сопротивление аэрозольной камеры при подаче в неё орошающей жидкости, Па.
Гидравлическое сопротивление, обусловленное орошающей жидкостью, рассчитывает ся по формуле:
V 2 (61) hж ж 2 ж m, 2 где ж – коэффициент гидравлического сопротивления, обусловленный вводом жидкости;
m – удельный расход орошающей жидкости.
Внутренний диаметр рабочей зоны аэрозольной камеры D 2 :
S2 (62) D2.
Рисунок 16 – Схема для расчета суммар- Рисунок 17 – Схема для расчета суммар ных гидравлических потерь в аэрозольной ных гидравлических потерь в центробеж камере ном каплеуловителе Длина аэрозольной камеры составит:
L VОГ t, (63) где t –время пребывания ОГ в активной зоне ЖН, с.
Площадь активного сечения сепарационной камеры центробежного каплеуловителя ЖН (S 2 ):
QОГ (64) S2, VОГ где V ОГ3 – скорость потока ОГ в сепарационной камере, м/с.
Длина сепарационной камеры определяется:
(65) L3 2,5 D3.
Расход ОГ при работе дизельного ДВС на режиме номинальной мощности будет:
(66) 22, 4 GТ М QОГ, Общее количество продуктов сгорания М 2 1 кг дизельного топлива составит:
(67) H OT М 2 LO.
4 Расход топлива двигателем трактора определяется:
(68) GТ N Н g е 10 3.
Потребное количество нейтрализующего раствора составит:
22, 4 GТ М 2 K р ра (69) Q р ра, где К р-ра – безразмерный коэффициент, отражающий пропорциональность между количест вом ОГ и потребным для его очистки объемом нейтрализующего раствора.
Произведя необходимые преобразования, получим:
(70) Q р ра 3,73 103 N Н qв M 2 K р ра.
Подставив значение М 2 из формулы (67) в выражение (70) получим расход нейтрали зующего раствора:
H OT (71) Q р ра 3,73 103 N Н qв ( LO ) K р ра.
4 Для определения параметров сепарации токсичных компонентов и сажевых частиц в центробежном каплеуловителе представим поток ОГ в виде двухкомпонентного газа: самого газа и «сажевого газа», состоящего из конгломератов сажевых частиц. Частицы сажи имеют диаметр d и плотность. Предполагая, что «сажевый газ» подчиняется законам кинетиче ской теории газов, запишем вязкость «сажевого» газа:
uz (72) с, где u – средняя скорость движения частицы, м/с.
Масса частицы сажи m равна:
d 3 (73) m.
Численная концентрация сажевых частиц будет равна:
z (74) n0.
m Средняя длина свободного пробега сажевой частицы с учетом распределения по отно сительным скоростям соударяющихся частиц будет:
d (75).
6 2z Эффективная площадь сажевой частицы при столкновении:
f эф d 2 (76) Рассмотрим движение частицы в анизотропном по вязкости закрученном двухфазном газо сажевом потоке. Вязкость среды, в котором в осевом и тангенциальном направлениях равна вязко сти чистого газа (рисунок 18). Для радиального направления сепарации частиц сажи ее вязкость равна вязкости двухфазной газо-сажевой среды µг-с, при этом газ движется поступательно вдоль оси y и вращается.
Рисунок 18 – Силы, действующие на частицу сажевого газа Профиль тангенциальной скорости газа Uг в случае потенциального безвихревого движения подчиняется уравнению: (77) U г Rn, где n – показатель степени (0,3-0,7);
– константа;
R – радиус сепарационной камеры, м.
На частицу «сажевого газа» действуют следующие силы:
m U ч – центробежная сила: (78) Fц ;
R G m g ;
– сила тяжести: (79) – сила сопротивления при движении в газовой среде в тангенциальном направлении:
(80) Tt 3 g k d (U c U г ) ;
– сила сопротивления при движении в газовой среде в осевом направлении:
(81) Tz 3 g k d (Wc Wг ) ;
– сила сопротивления при движении в газовой среде в радиальном направлении:
Tr 3 г п k d (Vc Vг ), (82) где k – коэффициент формы частицы;
U, W, V – соответственно тангенциальная, осевая и радиальная компоненты скорости частицы, м/с.
Уравнение для осевой скорости сажевых частиц в проекции на диаметральное сечение улавливающего устройства:
g b QA C exp bt. (83) W b Представленные формулы необходимы для обоснования устройства снижения токсич ности ОГ.
Лабораторные исследования устройства снижения токсичности ОГ дизельного двигателя трактора проводились на базе лаборатории испытаний тракторов и автомобилей автодорожного факультета ФГБОУ ВПО РГАТУ. По результатам исследований построены графические зависи мости и получены математические модели, определяющие расход нейтрализующего раствора от расхода топлива и степени очистки ОГ для каждого из токсичных компонентов (рисунки 19, 20).
Q р ра (см ) 292,8312 3,519 N 2.0191g e 0.0105 N 2 0.0122 Ng e 0.0036 g e мин Рисунок 19 – Зависимость расхода нейтрализующего раствора от расхода топлива и степени очистки ОГ от оксидов азота В результате лабораторных исследований установлено, что процесс нейтрализации ТВ ОГ дизельного ДВС в ЖН зависит от эффективного орошения потока ОГ нейтрализирующим раствором, состоящим на 85% из воды Н 2 О, в качестве абсорбирующих компонентов в его состав включены водный раствор Na 2 CO 3 в количестве 14,5% по объему и 0,5% 1,4 дигидроксибензола (гидрохинона) С 6 Н 4 (ОН) 2. Это обеспечивает коагуляцию капель ней трализирующего раствора и сажевых частиц в более крупные образования;
перехода газооб разной фазы в жидкую, при промежуточном понижении температуры ОГ и сепарации ней трализирующего раствора, ТВ и сажевых частиц. Установлена прямая зависимость между потребным количеством нейтрализирующего раствора, количеством ОГ, количеством и со ставом топлива, подаваемого в цилиндр, средний расход нейтрализирующего раствора 20…40 см3/мин.
Q р ра (см ) 298,932 4, 0726 N 2.1681g e 0.0127 N 2 0.0146 Ng e 0.004 g e мин Рисунок 20 – Зависимость расхода нейтрализующего раствора от расхода топлива и степени очистки ОГ от углеводородов Производственная проверка работоспособности устройства для очистки ОГ дизельного ДВС и оценка эффективности его внедрения проводилась в ОАО «Рязанский тепличный комбинат «Солнечный».
На трактор Т–30 было установлено разработанное устройство для очистки ОГ дизель ного ДВС (рисунок 21). При этом он выполнял различные транспортные работы по вывозу растительных остатков и завозу свежего грунта в теплицу.
В шестой главе «Система удаления отработавших газов двигателей внутреннего сгора ния из помещений сельскохозяйственного назначения» даны описания конструктивно технологических схем устройства для отвода ОГ ДВС за пределы помещения с разбавлением их окружающим воздухом при прямолинейном (рисунок 22) (Патент РФ на полезную модель №33979) и непрямолинейном (Патент РФ на полезную модель №26596) движении трактора.
Перед началом работы в помещении газоприемную каретку с камерой смешения и эжекто ром устанавливают на выхлопной патрубок двигателя трактора. Затем при движении внутри по мещения газоприемную каретку вставляют в приемную часть в виде раструба газоотводящего 1 – выпускной коллектор, 2 – аэрозольная камера ЖН, 3 – бак для утилизации отработавше го нейтрализующего раствора, 4 – центробежный каплеуловитель, 5 – гофрированный шланг с электрической проводкой, 6 – шланги для подвода нейтрализующего раствора, 7 – шланг для отвода отработавшего нейтрализующего раствора из корпуса центробежного каплеуло вителя, а – общий вид, б – вид снизу.
Рисунок 21 – Производственная установка при испытаниях трактора воздуховода. Для создания разрежения в газоотводящем воздуховоде тракторист включает венти лятор, вследствие чего уплотнительные элементы плотно соединяются друг с другом. Трактор движется вперед, совместно с газоприемной кареткой по газоотводящему воздуховоду, раскрывая при этом упругие уплотнительные элементы с помощью муфты эллипсовидной формы, установ ленной на патрубке. ОГ от ДВС трактора проходят через эжектор, смешиваясь с воздухом в каме ре смешения, тем самым охлаждаясь, поступают в газоотводящий воздуховод, отсасываются вен тилятором и выбрасываются в атмосферу. По окончании технологической операции уплотнитель ная заслонка открывается и газоприемная каретка выходит из газоотводящего воздуховода.
1 – уплотняющая заслонка;
2 – вентилятор;
3 – газоотводящий воздухо вод;
4 – уплотнительные элементы;
5 – раструб;
6 – газоприемная каретка;
7 – ролики;
8 – патрубок;
9 – муфта;
10 – камера смешения;
11 – выхлопной патрубок;
12 – пружина;
13 – эжектор;
14 – упорное кольцо;
15 – подвески;
16 – растяжки одпружиненные.
а – вид сбоку;
б – вид сверху на газоотводящий воздуховод.
Рисунок 22 – Схема устройства для отвода ОГ ДВС за пределы помещения Количество ОГ VОГ образующихся, при работе двигателя трактора, определяется по формуле:
, V ОГ = 22,4 GТ М (84) где G Т – часовой расход топлива при работе двигателя трактора, кг/ч;
М 2 - число киломолей продуктов сгорания в 1 кг жидкого топлива.
Количество воздуха, подсасываемого эжектором (рисунок 9), определим из условий, что трение и теплопередача на стенках отсутствуют, смешение газов идеальное, тогда коли чество теплоты Q ОГ, отдаваемое ОГ воздуху составит:
, Q ОГ = G ОГ С ОГ (Т 2СМ – Т 1ОГ ) (85) где G ОГ – количество ОГ, кг;
С ОГ – теплоемкость ОГ, кДж/(кгС);
Т 2СМ – конечная темпера тура смеси газов, С;
Т 1ОГ – начальная температура ОГ, С.
При условии, что процесс, протекающий в эжекторе, является политропным, теплоем кость ОГ равна:
nОГ kОГ (86) СОГ СVОГ, nОГ где n – показатель политропы;
k – показатель адиабаты;
С V – теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кгС).
nОГ Р2СМ Т 2СМ Из уравнения: (87) nОГ, Р1ОГ Т1ОГ выражая показатель политропы n и логарифмируя, получим:
nОГ 1 Р2СМ Т (88) lg 2СМ lg, nОГ Р1ОГ Т1ОГ где Р 1ОГ, Т 1ОГ – начальное давление и температура ОГ, соответственно Па и °С;
Р 2СМ, Т 2СМ – конечное давление и температура газовоздушной смеси, соответственно Па и °С.
Решая выражение (88) относительно показателя n ОГ, получим:
(89) nОГ.
T2СМ Р lg / lg 2СМ T1ОГ Р1ОГ Количество теплоты, получаемое воздухом от ОГ, будет:
, QВ = G В С В (Т 2СМ – Т 1В ) (90) где G В – количество воздуха, проходящего через эжектор, кг;
С В – теплоемкость воздуха, кДж/(кгС);
Т 1В – начальная температура воздуха, С.
nВ k В Теплоемкость воздуха составит: (91) СВ СVВ, nВ (92) nв.
T2СМ P / lg 2СМ lg T1В PВ Очевидно, что количество теплоты, отдаваемое ОГ, и количество теплоты, получаемое воздухом, будут равны, тогда:
G ОГ С ОГ (Т 2СМ – Т 1ОГ ) = G В С В (Т 2СМ – Т 1В ), (93) GОГ С ОГ (Т 2СМ Т 1ОГ ).
откуда количество воздуха: (94) GВ С В (Т 2СМ Т 1В ) Температура газовоздушной смеси будет определяться из условия, что в диффузоре эжектора имеет место значительная потеря кинетической энергии на удар. Если пренебречь кинетической энергией эжектируемого газа, то потеря энергии на 1 кг рабочего газа соста вит:
v u (95) Е 1ОГ, (1 u ) где u – коэффициент эжекции;
v 1ОГ – скорость истечения из сопла, м/с.
Теплосодержание смеси газов:
q CРОГ Т1ОГ uСРВ Т1В Е, (96) где С РОГ – теплоемкость ОГ при постоянном давлении, кДж/(кгС);
С РВ – теплоемкость воз духа при постоянном давлении, кДж/(кгС);
Т 1ОГ – температура ОГ, С;
Т 1В – температура воздуха, С.
С Т uСРВ Т1В Е q Температура смеси газов: (97) Т 2СМ РОГ 1ОГ, (1 u )CСМ (1 u )ССМ где С СМ – теплоемкость смеси газов, кДж/(кгС):
СРОГ uСРВ. (98) ССМ 1 u Программа лабораторных исследований предусматривала определение влияния геомет рических параметров эжектора на температуру газовоздушной смеси, количества подсасы ваемого через эжектор воздуха и определение влияния количества подсасываемого воздуха на температуру газовоздушной смеси.
В результате статистической обработки экспериментальных данных, представленных в диссертационной работе, были получены математические модели зависимости количества подсасываемого воздуха G В от диаметра активного сопла D 1 и его выноса L:
– на регуляторном режиме:
G В 3998,0646 11,5224 L 161,2632 D1 0,0619 L2 0,0232 D1 1,5063 D12 ;
(99) – нагрузочном режиме:
G В 7054,7103 5,9621L 336,2864 D1 0,0966 L2 0,1041LD1 4,0208 D12. (100) и математическая модель зависимости температуры газо-воздушной смеси Т 2 СМ от диа метра активного сопла эжектора D 1 и его выноса L:
– на регуляторном режиме:
Т 2СМ 321,5429 0,1783 L 24,608 D1 0,0079 L2 0,0124 LD1 0,3223 D12 ;
(101) – нагрузочном режиме:
Т 2СМ 453,4457 0,2614 L 22,944 D1 0,0013 L2 0,0056 LD1 0,3657 D12. (102) Из графических зависимостей, представленных в диссертационной работе, установлено: ра циональным будет эжектор с размерами диаметра активного сопла 30 мм и его выносом 40 мм, при которых обеспечивается наибольшее количество подсасываемого воздуха и минимальная температура газовоздушной смеси, что дает возможность быстрого отвода ОГ из помещения.
В седьмой главе «Технико-экономическое обоснование и реализация результатов про веденных исследований» представлены реализация результатов диссертационных исследо ваний и экономическая эффективность от внедрения разработанных процессов и техниче ских средств снижения токсичности ОГ (таблица 2).
Таблица 2 – Суммарный экономический эффект, руб./год.
Затраты на модер Общий экономический ущерб низацию и эксплуа- Экономический Наименование работ существующая модернизированная тацию предлагае- эффект машина машина мого устройства Устройство по обогащению воздушного заряда присадкой 13642174 7444039 17129 сжиженного газа Устройство для обработки па ровоздушной смеси ультра- 9397118 7710368 187200 фиолетовым излучением Устройство по очистке ОГ от 793243 542105 106400 сажи с помощью ЭФ Устройство по очистке ОГ с 793243 514125 103637 помощью ЖН Система по отводу ОГ из по мещений для содержания жи- 922770 461385,8 12289,35 вотных ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Анализ литературных источников показал, что проблема обеспечения безопасных ус ловий жизнедеятельности при работе мобильных энергетических средств с двигателями внутреннего сгорания в помещениях сельскохозяйственного назначения является актуаль ной. Даже после непродолжительной работы мобильных энергетических средств с двигате лями внутреннего сгорания внутри помещения, содержание токсичных компонентов в воз духе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации в несколько раз, что не гативно сказывается на здоровье людей и сельскохозяйственных животных, росте возделы ваемых культур, следовательно, на качестве и объемах производимой продукции.
2. Установлено, что на улучшение состояния воздушной среды в помещениях сельско хозяйственного назначения при работе в них мобильных энергетических средств с дизель ными двигателями следует воздействовать комбинированно: снижением токсичности отра ботавших газов посредством улучшения процесса сгорания топлива в дизельном двигателе внутреннего сгорания за счет обогащения присадкой сжиженным газом воздушного заряда или его предварительного пароозонирования, очистки отработавших газов сажевым электри ческим фильтром, жидкостным нейтрализатором, отводом отработавших газов из помеще ний (патенты РФ №№ 36454,51120, 59153,86665, 77353, 83292,33979, 26596).
3. Модернизированная система питания дизельного двигателя внутреннего сгорания для обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа должна содержать баллон сжиженного газа с арматурой и корректор для подачи сжиженного газа при определенных режимах работы двигателя за счет дифференциальной связи с всережимным регулятором то пливного насоса высокого давления.
Теоретически доказано, что присадка сжиженного газа к дизельному топливу способна улучшить процесс сгорания за счет улучшения смесеобразования, что обеспечивает более низкую температуру цикла, а, следовательно, меньшее образование вредных веществ в отра ботавших газах.
Получена аналитическая модель условия воспламенения и горения дизельного топлива совместно с присадкой из сжиженного газа.
Подачу сжиженного газа следует производить при нагрузке двигателя 60–70 % от но минальной. Оптимальной для двигателя Д-21А является величина присадки сжиженного газа 1,0–1,1кг/ч, в результате чего снижается концентрация токсичных компонентов отработав ших газов: содержание сажи в 4 раза;
содержание оксида азота и оксида углерода на 15– 18% и 6,7% соответственно;
температура отработавших газов на 11,7%.
4. Модернизированная система питания дизельного двигателя внутреннего сгорания для пароозонирования воздушного заряда должна содержать устройство образования паро воздушной смеси с ультрафиолетовым облучателем и эжектирующее устройство.
Теоретически обоснованы основные конструктивно-режимные параметры устройства озонирования пара системы питания дизельного двигателя.
Установлено, что для дизельного двигателя Д-243 оптимальная подача воздушного пара составляет 4959 м3/ч, при мощности потока ультрафиолетового излучения эквивалентного 1,125 кВт. Это обеспечивает снижение концентрации токсичных веществ, таких как оксид углерода на 5,2%, углеводородов на 1,8%, оксид азота на 12,8%, сажа на 6,3%.
5. Устройство очистки отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгора ния должна содержать на выпуске отработавших газов электрофильтр, включающий зону зарядки с коронирующими и некоронирующими электродами, и зону осаждения частиц, об разованную большим и малым сажесборником, а также блок питания и коммутации.
Теоретически доказано, что процесс улавливания частиц сажи в электрическом фильтре оп ределяется режимом горения коронного разряда и зависит от времени их зарядки, величины на пряженности электрического поля, а также скорости отработавших газов в активных зонах фильтра.
Экспериментально установлено, что при работе дизельного двигателя внутреннего сго рания на номинальных скоростных и нагрузочных режимах с электрофильтром на выпуске отработавших газов снижение температуры отработавших газов в среднем составляет 50°С, а газодинамическое сопротивление выхлопу двигателя около 5кПа. Степень снижения дымно сти отработавших газов изменяется от 15% при напряжении питания 25 кВ, до 40% при на пряжении 15 кВ в режимах свободного ускорения двигателя. Максимальная степень очистки выхлопа двигателя от сажи составляет около 45% при работе двигателя на режиме макси мального крутящего момента и значениях напряжения 15 кВ, а времени зарядки сажевых час тиц 0,3 с, при величине тока потребления около 4А.
Производственная проверка эффективности разработанной системы очистки отрабо тавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания Д-21А трактора Т-25А показала снижение концентрации токсичных веществ в воздушной среде помещения теплицы по сравнению со штатной системой выпуска трактора по сумме углеводородов на 14, бенз(а)пирену на 18, а саже на 22,4%.
6. Жидкостной нейтрализатор для очистки отработавших газов дизельного двигателя должен содержать аэрозольную камеру, центробежный каплеуловитель, эжектор, форсунки для подачи нейтрализирующего раствора, электронный блок управления, питания и комму никации.
Установлено, что процесс нейтрализации токсичных веществ отработавших газов ди зельного двигателя внутреннего сгорания в жидкостном нейтрализаторе зависит от эффек тивного орошения потока отработавших газов нейтрализирующим раствором, состоящим на 85% из воды Н 2 О, в качестве абсорбирующих компонентов в его состав включены водный раствор Na 2 CO 3 в количестве 14,5% по объему и 0,5% 1,4-дигидроксибензола (гидрохинона) С 6 Н 4 (ОН) 2. Это обеспечивает коагуляцию капель нейтрализирующего раствора и сажевых частиц в более крупные образования;
переход газообразной фазы в жидкую, при промежу точном понижении температуры отработавших газов и сепарации нейтрализирующего рас твора, токсичных веществ и сажевых частиц. Установлена прямая зависимость между по требным количеством нейтрализирующего раствора, количеством отработавших газов, коли чеством и составом топлива, подаваемого в цилиндр, средний расход нейтрализирующего раствора - 20…40 см3/мин.
Разработанная система очистки отработавших газов дизельных двигателей Д-21А и Д 120 сокращают концентрацию токсичных веществ в воздушной среде теплицы по сравнению со штатной системой выпуска трактора по сумме углеводородов на 40%, бенз(а)пирену на 38%, а сажи на 52%.
7. Разработана система отвода отработавших газов двигателей внутреннего сгорания мобильных энергетических средств из животноводческого помещения, включающая непод вижный продольный и подвижный поперечный газоотводящий трубопровод с вентилятором и эжектором.
Установлено, что применение эжектора в системе для отвода отработавших газов дви гателя внутреннего сгорания трактора позволяет снизить их температуру в среднем с 290 до 118°С при снятии регуляторной характеристики и с 203 до 93°С при снятии нагрузочной ха рактеристики.
Экспериментально установлено для дизельного двигателя Д-240, что при уменьшении диаметра активного сопла эжектора с 40 до 30 мм, увеличении выноса активного сопла от до 40 мм подача подсасывающего через эжектор воздуха увеличивается в среднем от 120 до 750 м3/ч, и температура газовоздушной смеси снижается в среднем от 138 до 118°С при сня тии регуляторной характеристики, а при снятии нагрузочной характеристики подача подса сываемого через эжектор воздуха увеличивается в среднем от 90 до 720 м3/ч, температура газовоздушной смеси снижается в среднем от 123 до 93°С.
Рекомендуемые параметры работы трактора МТЗ-80 с кормораздатчиком КТУ-10А в ко ровнике, исключающие дополнительные загрязнения воздуха отработавшими газами: скорость движения агрегата 2 км/ч, при частоте вращения коленчатого вала дизельного двигателя тракто ра 1800 мин-1. При этом подача подсасываемого через эжектор воздуха составляет 700750 м3/ч, температура газовоздушной смеси 93118°С, а производительность вентилятора воздуховода системы отвода отработавших газов не менее 1300 м3/ч.
8. Применение разработанных процессов и технических средств позволит значительно улучшить безопасные условия жизнедеятельности в помещениях сельскохозяйственного назна чения с функционирующими в них мобильными энергетическим средствами с дизельными дви гателями внутреннего сгорания. При этом годовой экономический эффект от применения уст ройств по обогащению воздушного заряда присадкой сжиженного газа и обработки паровоз душной смеси ультрафиолетовым излучением соответственно составляют – 6181,0 тыс.рублей для теплиц площадью 18 га и 1417,6 тыс.рублей для складских помещений объемом 62208 м3.
Внедрение устройства по очистке отработавших газов с помощью электрического фильтра и жидкостного нейтрализатора соответственно – 144,7 тыс.рублей и 175,5 тыс.рублей для теплиц площадью 1 га, а от внедрения системы по отводу отработавших газов за пределы коровника на 100 голов – 449,1 тыс.рублей.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
В монографиях:
1. Тришкин, Иван Борисович. Вопросы теории снижения токсичности дизелей [Текст] / Тришкин, Иван Борисович. - Рязань: РГАТУ, 2009. - 198 с.
2. Тришкин, И.Б. Жидкостные нейтрализаторы. (Теория. Конструкции. Расчет) [Текст] / И.Б. Тришкин, Д.О. Олейник, О.О. Максименко - Рязань: РГАТУ, 2013. - 131с.
В изданиях рекомендуемых ВАК:
3. Тришкин, И.Б. Система питания дизельного двигателя двумя видами топлива [Текст] / И.Б. Тришкин, А.В. Рябов // Сельский механизатор. - 2005. - № 9. - С. 4. Некрашевич, В. Электрофильтр для улавливания сажи двигателя [Текст] / В. Некра шевич, И. Тришкин, Н. Стражев // Сельский механизатор. - 2006. - № 5. - С. 40-41.
5. Тришкин, И. Жидкостный нейтрализатор для ДВС [Текст] / И. Тришкин, О. Макси менко // Сельский механизатор. - 2007. - №1.- С.19.
6. Жидкостный нейтрализатор улучшает микроклимат [Текст] / В. Некрашевич, И.
Тришкин, О. Максименко, Н. Стражев // Сельский механизатор. - 2007. - № 5. - С. 38.
7. Некрашевич, В.Ф. Устройство для отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания из животноводческих помещений [Текст] / В.Ф. Некрашевич, И.Б. Тришкин, А.В.
Ерохин // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный универси тет им. В.П. Горячкина". - 2008. - № 2. - С. 60-62.
8. Тришкин, И.Б. Основные параметры эжектора для отвода отработавших газов [Текст] / И.Б. Тришкин, В.Ф. Некрашевич, А.В. Ерохин // Тракторы и сельскохозяйственные маши ны. - 2008. - № 3. - С. 9-10.
9. Тришкин, И.Б. Паспорт профессионального здоровья работника агропромышленного комплекса [Текст] / И.Б. Тришкин, Д.О. Олейник, В.С. Генералов // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина". – 2008. – № 2 (27). – С. 133-136.
10. Тришкин, И.Б. Устройство для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сго рания [Текст] / И.Б. Тришкин, Д.О. Олейник // Вестник Федерального государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина".– 2009. – № 1 (32). - С. 66 – 68.
11. Тришкин, И.Б. Конструктивно-технологическая схема электрического фильтра для улавливания частиц сажи в системе выпуска дизеля [Текст] / И.Б.Тришкин // Вестник Феде рального государственного образовательного учреждения высшего профессионального обра зования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина". 2009. - № 2. - С. 43-44.
12. Тришкин, И.Б., Использование электрофильтра в качестве системы очистки выхлопа дизельного двигателя от сажи [Текст] / И.Б. Тришкин, Н.П. Стражев, // Современные про блемы науки и образования. – 2013. - №5. –URL: http://www.science-education.ru/111-10202 (дата обращения: 01.10.2013).
13. Тришкин, И.Б. Анализ действия сил в электрофильтре на взвешенную в потоке отра ботавших газов частицу сажи [Текст] / И.Б.Тришкин // Вестник Федерального государствен ного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина". - 2009. - № 3. - С. 48-50.
В материалах международных и всероссийских конференций, симпозиумов и других изданий:
14. Тришкин, И.Б. Снижение токсичности выхлопа двигателя Д-21А за счет обогащения воздушного заряда на впуске сжиженным газом [Текст] / И.Б. Тришкин, И.Е. Либеров // Альтернативные топлива в ДВС: тез. докладов Всесоюзной научно-технической конферен ции - Киров, 1987. - С. 93-95.
15. Тришкин, И.Б. Снижение токсичности выхлопа тракторного дизеля при работах в помещениях ограниченного объема [Текст] / И.Б. Тришкин, В.И. Ванцов // Республиканская научно-практическая конференция: тез. докл. - Казань, 1990. - С. 96-98.
16. Тришкин, И.Б. Трактор Т-25А с малотоксичным двигателем [Текст] / И.Б. Тришкин // Эксплуатация и ремонт сельскохозяйственной техники : межвуз. сб. науч. тр. - Москва, 1990. - С.169-172.
17. Тришкин, И.Б. Улучшение технико-экономических и токсичных показателей дизеля Д-21 присадкой сжиженного газа [Текст] / И.Б. Тришкин и др. // Материалы научно технического семинара стран СНГ. - Санкт-Петербург,1992. - С. 66-67.
18. Тришкин, И.Б. Трактор Т-25А с системой питания модернизированной для работы в помещениях ограниченного объема и воздухообмена [Текст] / И.Б. Тришкин, В.И. Ванцов, Е.В. Лунин // Сб. науч. тр. РГСХА. - Рязань, 1996. - С. 276-278.
19. Тришкин, И.Б. О возможности снижения токсичности двигателя Д-21[Текст] / И.Б.
Тришкин, Е.В. Лунин, А.Ю. Панфилов // 10-ая научно-практическая конференция вузов По волжья и Предуралья: тез. докл. - Чебоксары, 1998. - С. 156-158.
20. Тришкин, И.Б. Теоретические предпосылки оценки параметров токсичности [Текст] / И.Б. Тришкин, В.И. Ванцов, В.Ф. Некрашевич // Сб. науч. тр. РГСХА (вып.3,ч.2). - Ря зань,1999. - С. 101-108.
21. Тришкин, И.Б. К вопросу оценки токсичности выхлопа дизельного двигателя [Текст] / И.Б. Тришкин, В.И. Ванцов // Юбилейн. сб. науч. тр. сотрудников и аспирантов РГСХА (т.1). - Рязань, 1999. - С. 88-94.
22. Некрашевич, В. Ф. Лабораторная установка для определения геометрических пара метров эжектора [Текст] / В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, А. В. Ерохин // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства: сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 34 35.
23. Некрашевич, В. Ф. Влияние нагрузки на температуру отработавших газов трактора ЮМЗ-6Л [Текст] / В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, А. В. Ерохин // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства: сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 36-38.
24. Тришкин, И.Б. Результаты измерений параметров микроклимата в помещениях теп лиц ОАО «Тепличный комбинат» при проведении энергоемких сельскохозяйственных опе раций [Текст] / И.Б. Тришкин // Перспективные разработки в области механизации сельско го хозяйства : сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 38-40.
25. Тришкин, И.Б. К обоснованию величины годового экологического ущерба от воз действия токсичных веществ при работе машинно-тракторных агрегатов в теплицах [Текст] / И.Б. Тришкин // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства:
сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 40-42.
26. Некрашевич, В. Ф. Обоснование параметров коллектора-нейтрализатора отрабо тавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, О. О. Максименко // Перспективные разработки в области механизации сельского хозяйства :
сб. науч. тр. - Рязань, 2001. - С. 42-45.
27. Тришкин, И.Б. Лабораторная установка для изучения режимов работы эжектора и жидкостного нейтрализатора [Текст] / И.Б. Тришкин и др. // Энергосберегающие технологии использования и ремонта МТП: материалы научно-практ. конф. инженерного факультета РГСХА // Рязань, 2004. - С. 52-54.
28. Тришкин, И.Б. Результаты измерений параметров микроклимата в помещении ко ровника до и после раздачи кормов с использованием трактора [Текст] / И.Б. Тришкин, В.Ф.
Некрашевич, А.В. Ерохин // Сб. науч. тр. РГСХА. - Рязань, 2004. - С. 54-56.
29. Костенко, М.Ю. О возможности снижения токсичности отработавших газов подачей па ровоздушной смеси / М. Ю. Костенко, И. Б. Тришкин, А. В. Рябов // Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Вклад молодых ученых в развитие аграрной науки XXI века" (2-3 марта 2004, Рязань). - Рязань, 2004. - С.234-236. - (К 55 летию Рязанской государственной сельскохозяйственной академии).
30. Некрашевич, В.Ф. К определению потребной вентиляции при работе мобильных по грузчиков с двигателями внутреннего сгорания внутри помещения ограниченного объема [Текст] / В. Ф. Некрашевич, И. Б. Тришкин, А. В. Ерохин // Сб. науч. тр. аспирантов, соиска телей и сотрудников РГСХА. - Рязань, 2001. - С.370-374.
31. Тришкин, И.Б. Способ улавливания частиц сажи в системе выпуска дизельных дви гателей [Текст] / И.Б. Тришкин, А.В. Рябов, Н.П. Стражев // Современное развитие АПК:
региональный опыт, проблемы и перспективы : материалы Всероссийской научно практической конф. - Ульяновск, 2005. - С. 394-397.
32. Тришкин, И.Б. Устройства для очистки отработавших газов мобильных энергетиче ских средств [Текст] / И.Б. Тришкин, Д.О. Олейник // Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий АПК: материалы междунар. научно-практической конферен ции, 4-5 мая 2009 г. - Мичуринск-наукоград РФ, 2009. - С. 144-148.
33. Тришкин, И.Б. Использование электрофильтра в качестве системы очистки выхлопа дизельного двигателя от сажи [Текст] / И.Б. Тришкин, Н.П. Стражев // Материалы Всерос сийской научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития АПК». - Уфа, 2011. - С. 228-230.
34. Тришкин, И.Б. Устройство для очистки отработавших газов от сажи и снижения шума ди зельного двигателя [Текст] / И.Б. Тришкин и др. // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения: сб. науч. работ. - Брянск, 2006. - С. 156-160.
35. Тришкин, И.Б. Динамика состояния микроклимата в коровнике при раздаче кормов мобильным кормораздатчиком [Текст] / И.Б. Тришкин, В.Ф. Некрашевич // Материалы 46-ой научно-технической конференции молодых ученых и студентов инженерного факультета. Пенза: РИО ПГСХА, 2001. - С. 117-119.
36. Тришкин, И.Б. Расчет концентрации токсичных веществ в атмосфере помещений ограниченного объема и воздухообмена [Текст] / И.Б. Тришкин, В.Ф. Некрашевич // Мате риалы 46-ой научно-технической конференции молодых ученых и студентов инженерного факультета. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001. - С. 119-120.
В патентах:
37. Пат. 33979 Российская Федерация, МПК F01N7/08, F24F7/04. Устройство для отвода от работавших газов от двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И.
Б., Максименко О. О., Ерохин А. В. ;
заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. акаде мия. - № 2003117141/20 ;
заявл.09.06.03 ;
опубл. 20.11.03, Бюл. № 32. – 8 с. : ил.
38. Пат. 34971 Российская Федерация, МПК F01N3/04. Жидкостный нейтрализатор от работанных газов двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И.
Б., Максименко О. О. ;
заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2003125440/20 ;
заявл.18.08.03 ;
опубл. 20.12.03, Бюл. № 35. – 7 с. : ил.
39. Пат. 26596 Российская Федерация, МПК F01N7/08. Устройство для удаления выхлоп ных газов от двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И.Б., Максименко О.О., Некра шевич В.Ф., Крыгин С.Е., Ерохин А.В. ;
заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. ака демия. –№ 2002111113/20;
заявл. 24.04.02;
опубл. 10.12.02, Бюл. № 34. – 7 с. : ил.
40. Пат. 36454 Российская Федерация, МПК F02M27/06. Устройство для обработки паро воздушной смеси ультрафиолетовым излучением перед двигателем внутреннего сгорания [Текст] / Костенко М. Ю., Тришкин И. Б., Рябов А. В.;
заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х.
академия. - № 2004131710/22 ;
заявл. 01.11.04 ;
опубл.27.09.03, Бюл. № 7. – 6 с. : ил.
41. Пат. 56964 Российская Федерация, МПК F01N3/01. Устройство для очистки отработав ших газов и снижения уровня шума двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Стражев Н. П., Мяснянкина М. Н. ;
заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия.
- № 2005141770/22 ;
заявл. 30.12.05 ;
опубл. 27.09.06, Бюл. № 27. – 7 с.: ил.
42. Пат. 56965 Российская Федерация, МПК F01N3/08. Устройство для очистки отрабо тавших газов и снижения уровня шума двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Стражев Н. П. ;
заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2005139351/22 ;
заявл. 15.12.05 ;
опубл. 27.09.06, Бюл. № 27. – 6 с.: ил.
43. Пат. 59153 Российская Федерация, МПКF01N3/08. Электрический фильтр для очист ки от сажи отработавших газов двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И. Б., Стражев Н. П. ;
заявитель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия.
- № 2006125325/22 ;
заявл 13.07.06 ;
опубл. 10.12.06, Бюл. № 34. – 7 с.: ил.
44. Пат. 77353 Российская Федерация, МПК F01N3/02. Устройство для очистки отрабо тавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Олейник Д. О. ;
зая витель и патентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2008115609/22 ;
заявл. 21.04. ;
опубл. 20.10.08, Бюл. № 29. – 5 с. : ил.
45. Пат. 47448 Российская Федерация, МПК F02M43/00. Система питания дизельного двигателя двумя видами топлива [Текст] / Тришкин И.Б., Рябов А.В. ;
заявитель и патентооб ладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2004134911/22 ;
заявл. 29.11.04 ;
опубл. 27.08.05, Бюл. № 24. – 6 с. : ил.
46. Пат. 51120 Российская Федерация, МПКF02M27/06. Система подачи смеси во впу скной коллектор дизельного двигателя [Текст] / Тришкин И. Б., Рябов А. В. ;
заявитель и па тентообладатель Рязанская гос. с.-х. академия. - № 2005117397/22 ;
заявл. 06.06.05 ;
опубл.
27.01.06, Бюл. № 03. – 5 с. : ил.
47. Пат. 86665 Российская Федерация, МПК F01N3/02. Устройство для очистки отрабо тавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Олейник Д. О. ;
зая витель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2009113715/22 ;
заявл.
14.04.09 ;
опубл. 10.09.09, Бюл. № 25. – 5 с. : ил.
48. Пат. 83292 Российская Федерация, МПК F01N3/02. Устройство для очистки отрабо тавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Олейник Д. О.;
зая витель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2008148586/22 ;
заявл.
09.12.08 ;
опубл. 27.05.09, Бюл. № 15. – 5 с. : ил.
49. Пат. 107289 Российская Федерация, МПК F01N3/00. Устройство для очист ки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Тришкин И. Б., Угланов М. Б., Солдатов Р. А., Липин В. Д. ;
заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротех нол. ун-т. - № 2011107366/06 ;
заявл. 25.02.11 ;
опубл. 10.08.11, Бюл. № 22. – 8 с. : ил.
50. Пат. 122710 Российская Федерация, МПК F02M43/00. Система питания дизеля с двумя видами топлива [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И. Б., Солдатов Р. А., Дмитриев В. В., Липин В. Д.;
заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2012112086/06 ;
заявл. 28.03.12 ;
10.12.12, Бюл. № 34. – 3 с. : ил.
51. Пат. 123466 Российская Федерация, МПК F02M43/00. Система подачи в дизель двух топлив [Текст] / Некрашевич В. Ф., Тришкин И. Б., Феклистов А. А., Солдатов Р. А., Липин В. Д. ;
заявитель и патентообладатель Рязанский гос. агротехнол. ун-т. - № 2012113809/06 ;
заявл. 09.04.12 ;
опубл. 27.12.12, Бюл. № 36. – 3 с. : ил.
Подписано в печать 27.10.2013. Формат 60х84. Пробел 1/16.
Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Усл. печ. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в издательстве учебной литературы и учебно-методических пособий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»
390044, г. Рязань, ул. Костычева,