Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Національний університет “Львівська політехніка”
Шапко
Сергій Володимирович
УДК 629.351:621.436.068.4
Підвищення СТАБІЛЬНОСТІ
еКОЛОГіЧнИХ показників дизельного АВТОМОБіЛЯ,
ОБЛАДНАНОГО каталітичним НЕЙТРАЛІЗАТОРОМ
05.22.02 - автомобілі та трактори
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” та Кременчуцькому державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Гутта Олександр Йосипович,
доцент кафедри “Автомобілебудування”,
Національний університет “Львівська політехніка”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Гащук Петро Миколайович,
завідувач кафедри “Експлуатація та ремонт
автомобільної техніки”,
Національний університет “Львівська політехніка”;
кандидат технічних наук, доцент
Браільчук Андрій Петрович,
доцент кафедри “Системотехніка та діагностика
транспортних машин”, Харківський національний
автомобільно-дорожній університет
Провідна установа: Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля
Міністерства освіти і науки України, кафедра “Автомобілі”,
м. Луганськ.
Захист відбудеться 9 червня 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226, гол. корп.
З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. Професорська, 1.
Автореферат розісланий 6 травня 2004 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є.Ю.
Актуальність теми. Розвиток транспортної системи України в напрямку європейської інтеграції вимагає дотримання встановлених норм щодо екологічної безпеки автомобільних транспортних засобів, зокрема, дизельних, які займають значне місце у пасажирських і вантажних перевезеннях. Для покращення екологічних показників дизельного автомобільного транспорту у багатьох країнах активно ведуться роботи у різних напрямках, найбільш ефективним з яких є застосування в системі випуску відпрацьованих газів (ВГ) каталітичних нейтралізаторів (КН). В Україні над цією проблемою працюють науковці у науково-дослідних інститутах, вищих навчальних закладах та інших організаціях і установах.
Значний внесок в комплексне розв’язання цієї проблеми внесли такі вчені як Варшавський І.Л., Гетьманець Г.В., Балакун О.Г., Говорущенко М.Я., Голубєв І.Р., Гутаревич Ю.Ф., Д’яков О.Б., Єрохов В.І., Жегалін О.І., Іванов В.Н., Канарчук В.Є., Курніков І.П., Ліханов В.А., Лупачов П.Д., Малов Р.В., Новіков Ю.В., Скорченко В.Ф., Сторчевус В.К., Ходолій М.М., Шейнін В.А., C. Keith, M. Flytzani-Stephanopoulos, G.E. Voecks. Особливий вклад у розв’язання практичних задач щодо покращення екологічних характеристик автомобілів оснащенням їх каталітичними нейтралізаторами внесли такі вчені і винахідники, як Вартанян В. М., Евдокімов В. Д., Каганович І. Л., Новіков В. З., Кузнецов Є. М., Моісеєв С. П., Пічугов Ю. В., Сайкін А.М., B. Anderson, S. Irandoust, G. Wobner, E. Linder, H. Maurer, Barto, I. Hyanek та інші.
Обладнання під час виготовлення дизельних автомобілів КН дає змогу забезпечити такі їх екологічні характеристики, які відповідають найвищим вимогам стандартів у галузі екологічної безпеки. Однак, із збільшенням терміну їх служби, екологічні показники швидко погіршуються.
У зв’язку з цим, стали актуальними теоретичні та експериментальні дослідження в напрямку покращення екологічних показників автомобіля, обладнаного КН, виявлення причин їх погіршення в експлуатації, розроблення методів і засобів підвищення їх стабільності. Крім цього, з метою зниження витрат на оснащення автомобіля КН і подальшої його експлуатації повинні враховуватися вимоги стандартів того регіону, у якому використовується автомобіль. Тому необхідно створити математичну модель стабільності екологічних показників, яка б враховувала вимоги міжнародних та національних стандартів. Отже, дослідження стабільності екологічних показників дизельного автомобіля, обладнаного КН, в умовах експлуатації є своєчасним і актуальним.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з держбюджетною науково-дослідною темою № 489А-95/Б “Дослідження закономірностей взаємодії потоку відпрацьованих газів ДВЗ зі складною структурою “каталітичний нейтралізатор-глушник” з метою підвищення ефективності каталізу і зниження рівня шуму”, яка виконувалась згідно з Технічним завданням Міністерства освіти України, номер державної реєстрації №0195U006838 від 01.03.1995 р. (здобувач брав безпосередню участь у її виконанні на посаді молодшого наукового працівника); госпдоговірними темами № 453-А-94 “Випробування нейтралізаторів відпрацьованих газів для автомобілів Краз”та № 511-А-95 “Дослідження та експлуатаційні випробування нейтралізатора відпрацьованих газів з дослідними каталітичними блоками на автомобілі КрАЗ-6510”, які виконувались на замовлення Холдингової компанії “АвтоКрАЗ” у Кременчуцькому державному політехнічному університеті.
Мета роботи та задачі досліджень. Метою роботи є підвищення стабільності екологічних показників дизельного автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором ВГ. Для досягнення поставленої мети розв’язувались такі задачі:
Об'єкт дослідження –дизельний вантажний автомобіль, обладнаний КН.
Предмет дослідження –закономірності зміни екологічних показників автомобіля в експлуатації.
Експериментальними методами досліджувалися екологічні характеристики дизельного автомобіля, обладнаного КН, в експлуатаційних умовах, на моторному і газодинамічному стендах. Розрахунковим методом за допомогою математичних моделей визначалися екологічні хfрактеристики автомобіля та їх стабільність в експлуатації.
Наукова новизна одержаних результатів. Набуло подальшого розвитку розв’язання проблеми забезпечення екологічної безпеки дизельного автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором; розроблено оцінний критерій –параметр стабільності екологічних показників дизельного автомобіля; виявлені причини низької стабільності екологічних показників автомобіля в умовах експлуатації; встановлено залежності зміни екологічних показників автомобіля від параметрів потоку відпрацьованих газів при взаємодії з каталізатором; виконано за оцінним критерієм аналіз процесів, які відбуваються при взаємодії відпрацьованих газів з каталізатором; встановлено взаємозв’язок між змінами екологічних показників автомобіля та газодинамічним опором випускної системи.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблені математична модель та алгоритми розрахунку екологічних характеристик автомобіля з каталітичним нейтралізатором під час його експлуатації, які дають змогу враховувати вимоги міжнародних стандартів. Створено методику експериментальних досліджень екологічних характеристик автомобіля. Запатентовано конструкцію каталітичного нейтралізатора, використання якої підвищує екологічні показники автомобілів та їх стабільність за рахунок розподілу потоку відпрацьованих газів у нейтралізаторі та продувок каталізатора для видалення сажових відкладень. Результати досліджень впроваджені в Управлінні головного конструктора Холдингової компанії “АвтоКрАЗ” при проектуванні та експлуатації великовантажних автомобілів КрАЗ. Матеріали досліджень використовуються у лабораторному практикумі кафедри “Автомобілі та трактори” Кременчуцького державного політехнічного університету.
Особистий внесок здобувача. У спільних публікаціях здобувачу належать: генерування ідей наукових досліджень [2]; встановлення залежностей, які визначають стабільність екологічних характеристик автомобіля, обладнаного КН [3]; узагальнений аналіз існуючих методів покращення екологічних характеристик дизельного автомобіля застосуванням систем нейтралізації ВГ і підвищення їх стабільності [4]; розроблення методик експериментальних досліджень та їх виконання [6,9,12].
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались і були схвалені на: науково-технічних конференціях молодих вчених і фахівців КДПУ (м. Кременчук, 1994-1996 р.р.); міжнародній науково-практичній конференції "Актуальні питання охорони навколишнього середовища від антропогенного впливу" (м. Кременчук, 1994 р.); науково-технічних конференціях “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, КДПУ, 1997-1999, 2003 р.р.); науково-методичних семінарах кафедри "Автомобілі та трактори" КДПУ (1994-1996 р.р., 2003 р.) і кафедри "Автомобілі та автомобільне господарство" Інституту економіки та нових технологій (м. Кременчук, 1999-2003 р.р.); розширеному засіданні кафедр “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки” та “Автомобілебудування” НУ “Львівська політехніка” (м. Львів, 2003 р.).
Публікації. Основні теоретичні засади дисертації, методики, результати досліджень опубліковані в 11 наукових працях, в т.ч. у 3 фахових виданнях; отримано один патент України на винахід.
Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 130 найменувань. Обсяг роботи становить 123 сторінок основного тексту, 2 додатків на 2 сторінках, 10 таблиць, 67 рисунків. Загальний обсяг –сторінок.
основний зміст роботи
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі роботи, наукова новизна, практична цінність та практичне значення отриманих результатів.
Перший розділ присвячений узагальненому аналізу існуючих методів покращення екологічних характеристик дизельного автомобіля застосуванням систем нейтралізації ВГ та підвищення їх стабільності. Аналіз наукових праць і винаходів вітчизняних та зарубіжних вчених показав, що є певні досягнення щодо підвищення екологічної безпеки автомобіля обладнанням його КН. Разом з тим не розроблені достатньо ефективні заходи щодо забезпечення стабільності екологічних характеристик дизельного автомобіля під час експлуатації. У запатентованих конструкціях відсутні дані про вплив змін конструкції КН на підвищення стабільності екологічних показників автомобіля.
У другому розділі розроблена математична модель експлуатаційної стабільності екологічних характеристик автомобіля, обладнаного КН. Розкриваються задачі і методи теоретичних та експериментальних досліджень, обґрунтовано та визначено об’єкт досліджень.
Обґрунтовано екологічні показники автомобіля в цілому, каталітичного нейтралізатора окремо та їх стабільності в експлуатації. Для оцінки екологічних характеристик автомобіля прийнято питомий показник - масова витрата i-ої компоненти ВГ на одиницю ефективної потужності двигуна
. (1)
Вибір такого показника обумовлений тим, що саме він регламентується нормативно-технічною документацією, зокрема Правилами ЄЕК ООН № 49, вимоги яких поширюються на великовантажні автомобілі.
Оцінка стабільності екологічних характеристик автомобіля з КН ґрунтувалась на методі визначення параметра технічного стану, суть якого полягає в тому, що питомий показник автомобіля залежно від пробігу S може бути виражений функцією n-го порядку
, (2)
де ai –початкове значення параметра технічного стану (при S = 0);
ai,…,aiп –коефіцієнти, які визначають характер і ступінь залежності параметра від пробігу автомобіля S.
Використовуючи функцію (2) і вихідні характеристики на початку експлуатації автомобіля giп, можна визначити його екологічні характеристики на будь-якому пробігу S.
Стабільність екологічних показників автомобіля в експлуатації за i-ю компонентою можна оцінити за величиною збільшення викидів , наприклад, питомих стосовно одиниці пробігу автомобіля (рис. 1, крива 1). Показник отримав назву параметр стабільності:
. (3)
d0. 1. i-
Для виконання розрахунків з використанням функції (2) необхідно знати значення коефіцієнтів аi0, аi,…, аin. Вони можуть бути отримані в результаті збору і опрацювання багатьох статистичних даних. Однак, можна істотно спростити розв’язання задачі, прийнявши лінійну залежність зміни питомого викиду в межах пробігу автомобіля між його ТО (рис. 1, пряма 2). Очевидно, що у межах заданого пробігу питомі викиди не можуть перевищити кінцеві значення. Величини допустимих питомих викидів наприкінці пробігу є відомими, оскільки визначаються вимогами стандартів, на виконання яких орієнтований автомобіль.
Знаючи величину параметра стабільності екологічних характеристик автомобіля, можна визначити питомі викиди ним i-ї компоненти за будь-якого пробігу за формулою
. (4)
можна також визначити пробіг автомобіля S для заданих початкових gin і допустимих кінцевих giк викидів наприкінці пробігу за формулою
. (5)
Крім того, можна визначити необхідні характеристики нейтралізатора за початковим і допустимим кінцевим викидах, погоджуючи періодичність обслуговування нейтралізатора з проведенням планових ТО автомобіля, періодичність яких пов’язана з пробігом автомобіля
. (6)
Стабільність екологічних характеристик автомобіля, обладнаного КН, в умовах експлуатації залежить насамперед від стабільності очисних властивостей нейтралізатора, яку прийнято оцінювати ступенем очищення:
, (7)
де Ciвх і Ciвих –концентрації i-ої компоненти відповідно на вході і виході з КН.
Для визначення експлуатаційної стабільності КН складена схема нейтралізатора з каталітичним блоком, який являє собою сукупність елементів у вигляді каналів, через які проходять ВГ (рис. 2). Під час експлуатації автомобіля одні канали залишаються у працездатному стані, інші забруднюються сажею, перекриваючи рух потоку ВГ. Кількість каналів, які знаходяться у працездатному стані зменшується, а забруднення каналів приводить до того, що вони не тільки не беруть участі в очищенні, а й змінюють структуру потоку. Розроблена розрахункова схема експлуатаційної стабільності КН та уведення поняття “умовно ідеальний нейтралізатор” дають змогу оцінювати стабільність екологічних показників автомобіля, обладнаного КН, за допомогою існуючих методів опрацювання статистичної інформації.
Теоретичні дослідження проводилися з використанням розроблених математичних моделей та сучасної комп’ютерної техніки.
Експериментальні дослідження виконувалися в реальних умовах експлуатації автомобіля, на моторному та газодинамічному стендах. Для експериментальних досліджень був розроблений нейтралізатор, основу якого становить глушник автомобіля КрАЗ-6510 (рис. 3), у якому встановлено один, або послідовно два каталітичних блоки замість однієї секції глушника. Така конструкція виконує одночасно функції нейтралізатора і глушника.
d0. 3. -
d0. 2.
Лабораторні дослідження проводилися на стендах кафедри “Автомобілі та трактори” Кременчуцького державного політехнічного університету.
В умовах експлуатації досліджувалися екологічні характеристики автомобіля, обладнаного різними типами КН, їх стабільність, вплив КН на газодинамічний опір випускної системи та на зовнішній шум автомобіля. Моделюванням експлуатаційних режимів роботи автомобіля на моторному стенді проводилися дослідження екологічних характеристик. На газодинамічному стенді виявлялись причини зниження екологічних показників автомобіля в експлуатації і з використанням принципів подібності досліджувались методи підвищення їх стабільності.
За результатами досліджень систематизовано оцінні показники екологічних характеристик автомобіля та створена математична модель їх стабільності. Розроблено методи теоретичних і експериментальних досліджень; обґрунтовано і визначено об’єкт досліджень; підібрано обладнання, вимірювальна апаратура; спроектовано та виготовлено необхідні пристрої.
У третьому розділі наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень екологічних характеристик автомобіля.
Зміна конструкції випускної системи автомобіля, обладнанням її нейтралізатором-глушником (НГ) замість серійного глушника, визначила потребу у проведенні досліджень газодинамічного опору цієї системи і показників рівня шуму порівняно з допустимими нормами та з показниками, які мав автомобіль, обладнаний серійним глушником. На рис. 4 наведені результати досліджень випускної системи, обладнаної НГ з різними типами каталізатора (1,2,3 – відповідно з одним та двома блоками діаметром 200 мм та з гранульованим КН) порівняно з серійним глушником (4). Результати отримані на моторному стенді без навантаження. Дослідження показали, що при встановлені НГ газодинамічний опір випускної системи менший, ніж у разі застосування се рійного глушника. Вимірюванням встановлено високі показники очищення ВГ від оксидів вуглецю при застосуванні усіх розглянутих варіантів нових конструкцій КН (рис.5).
d0. 5. e9 (1,2,3) ed n=1750 -1,
ed ccea=500 , d2c2 =400 0d1
d0. 4. (1,2,3)
b3 (4).