устройства для очистки вредных веществ автомобиля с

Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ АВТОМОБИЛЯ С
БЕНЗИНОВЫМ ДВИГАТЕЛЯМ
Белл С.С.
МГТУ «МАМИ»
1. Правовые и нормативные требования на выброс вредных веществ
Автомобиля с бензиновым двигателям
Критический рост мирового автомобильного парка и Прогрессирующее загрязнение
окружающей среды, заставляет правительства разных стран ужесточать норм ограничения
на выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя [6,8].
Норма
Европа
2
Норматив
-ЕВРО-1
Правила 1993
ЕЭК ООН
№ 83-02
Правила 1996
ЕЭК ООH
№ 83-03,04
СЕВРО-2
п
о
сEBPO-3
о
СН
+
Дополните
льные
требования
-
0,97
-
-
-
0,5
2,3
0,2
0,15
-
Цикл NEDC
(UDC+
EUDC без
40 сек
прогрева)
2008
1,0
0,1
0,08
-
2013
1,0
0,1
0,06
0,1
Холодные
испытания
автомобиля
(-7 °С).
Регистрация
новых
автомобилей
0,1
Регистрация
новых
автомобилей
Сроки введения
Год
Правила 2000
ЕЭК ООН
№ 83-04
СО
СН
Россия
Нор Год
матив
1999
2,72
-
2002
2,2
2004
ГОСТ
Р41.83
- 99
б
ЕВРО-4
ы
Правила 2005
ЕЭК ООН
№ 83-05
с
Правила
ЕЭК ООН
2009 ГОСТ
№83-05
Р41.83
- 2004
Правила
ЕЭК ООН
№ 83-05 2014
нЕВРО-5
и
2ЕВРО-6
.
-
1,0
0,1
0,06
2. Устройства для очистки вредных веществ автомобиля с бензиновым
двигателям
Способы улучшения экологических характеристик ДВС весьма разнообразны. Однако,
наибольший интерес с точки зрения уменьшения токсичности двигателей представляют
методы совершенствования процессов рабочего цикла, а также разработка и использование
приборов и устройств термической и каталитической нейтрализации в системах выпуска
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
1
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
отработавших газов [10].
В устройствах для нейтрализации, как правило, применяются нейтрализаторы с
трехфункциональным катализатором, обеспечивающим конверсию трех основных
компонентов ОГ-монооксида углерода (СО), углеводородов (СН) и оксидов азота
(NOx).Принципиальная схема трехкомпонентного нейтрализатора ОГ приведена на (рис. 1)
Нейтрализатор состоит из трех основных элементов : моноблочного носителя (сотового
блока), промежуточного слоя (подложки) и катализатора. Наибольшее распространение
получили керамические (кордиеритовые) и ля металлические сотовые блоки. Основу
металлического блока составляет Fe, Сг, А1-содержащая фольга (фехраль). Ее
приблизительный состав: Fe - 78%, Сг - 15%, А1 - 7% [3]. Кроме фехрали могут
использоваться и другие сплавы.
Устройства для отчистки вредных веществ автомобиля с бензиновым
двигателям отличаются от их основании конструкции и принципы работы. На основании
проведенного теоретического анализа и патентного поиска была разработана следующие
конструкции нейтрализаторов:[3,10,12]
Нейтрализатор (pис. 2) состоит из наружного и внутреннего цилиндрических
корпусов, между которыми находится слой тепловой изоляции. В пространстве
внутреннего корпуса размещены каталитический реактор, состоящий из плоских и
гофрированных металлических фольг, покрытых слоем пористого катализатора, и тепловой
аккумулятор фазового перехода плавление-кристаллизация, состоящий из равномерно
расположенных
по
объему
реактора
цилиндрических
капсул,
заполненных
теплоаккумулирующим материалом. Для входа и выхода отработавших газов имеются
соответственно входной и выходной газовые патрубки. Изобретение позволяет повысить
надежность работы каталитического нейтрализатора и упростить его конструкцию.
Способ очистки отработавших газов (ОГ) в нейтрализаторе (рис. 3) включает
подачу потока ОГ на катализатор и подачу воздуха для нейтрализации вредных примесей
ОГ, предварительно перед подачей на катализатор поток ОГ принудительно смешивают с
потоком подаваемого воздуха и одновременно проводят первую стадию нейтрализации,
воздействуя на указанные потоки магнитным полем, векторы направления сил которого
ориентируют в плоскости, перпендикулярной относительно направления подачи потока ОГ.
Магнитное поле формируют с помощью, по меньшей мере, двух магнитов, одноименные
полюса которых устанавливают навстречу друг другу и постоянно поддерживают их в этом
положении, при этом создают турбулентный режим перемешивания потоков ОГ и воздуха,
а затем проводят вторую стадию нейтрализации.
В устройстве (рис. 4) отработавшие газы из выпускного коллектора двигателя
подают в вихревую трубу, в которой газы разделяют на охлажденный и подогретый потоки.
Охлажденную часть газов подают в цилиндры двигателя вместе со свежим атмосферным
воздухом, подогретую часть подают в нейтрализатор, в котором происходит окисление
продуктов неполного сгорания топлива до конечных продуктов сгорания - углекислого газа
и воды. Увеличение температуры, по сравнению с подачей выхлопных газов
непосредственно от двигателя, повышает эффективность окисления отработавших газов в
нейтрализаторе.
Устройство для очистки отработавших газов ДВС от оксидов азота (рис. 5)
содержит камеру низкотемпературной плазмы с коронирующим электродом и двумя
изоляторами, входной и выходной патрубки и источник высокого напряжения,
дополнительную камеру с катализатором и двумя коаксиально расположенными
электродами с отверстиями для входа и выхода газа, при этом внутренний электрод
электрически соединен с коронирующим электродом, а периферийный электрод
расположен с зазором относительно корпуса дополнительной камеры и электрически связан
с ее корпусом. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки отработавших
газов от оксидов азота.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
2
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
Рис.1.Принципиальная схема
Трехкомпонентного нейтрализатора ОГ:
1 – входной патрубок 2 –решетка;
3 – восстановительная ступень;4 − уплотнение;
5 – окисли тельная ступень; 6 − выходной
патрубок;7 − сетка; 8 – корпус
Рис.3: RU 2306440.
1-основный корпус;2-входной патрубок ОГ;3выходной патрубок;4-конусообразная часть
корпуса;5-; 6,15-зон нейтрализаций ОГ ,7каталитический элемент; 8-допольнительный
корпус;9-торщевая стенка;10-перегородка;11,12блок;13,14-кольцевые магниты;-16-воздучный
потрубок;17-торцевая крышка
Рис.2. RU 2204027
1-наружный корпус;2-внутрений корпус;3-тепловая
изоляция ; 4- каталитический реактор ; 5-реактор
цилиндрических капсул-;6-ТАМ;7-входной газовой
патрубок;8-выходной газовой патрубок
Рис.4: RU 2239706
1-ДВС; 2-воздухозаборник двигателя;3-выпускной
коллектор двигателя;4-вихревая труба;5-нетрализатор продуктов неполного сгорания;6-выхлопная
труба;7-свежий воздух;8-газы,хлажденые в вихревой трубе;9-газы,подогретые в вихревой трубе;10газы, поступающие из двигателя
A
Рис.5: RU 2361095 С1
1-камера; 2-коренирующий электрод;3-первый
изолятор;4- второй изолятор 5-входной
патрубок ;6-выходной патрубок ;7-источника
напряжения; 8-дополнительная камера;
9-потенциальный электрод;10-переферийный
электрод 11-отверстия для входа ОГ ;12отверстия для выхода ОГ ;13-корпус;14-входной
B
рис . 6. Расчетная схема математической модели
процесса сгорания
A- свежая смесь :
,,
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
3
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
коллектор;
,, ,
,,
B- сгоревшая смесь:
,, ,
3. Математическая модель сгорания - расширения
Процесс сгорания топлива является основным процессом, в котором теплота топлива
превращается в механическую работу [9]. В основе математической модели горения
газовой смеси в двигателе с искровым зажиганием лежит предположение (рис. 6), что
рабочее вещество в цилиндре в процессе сгорания разделено фронтом пламени на три зоны,
которые будем называть зоной заряда (зоной свежих продуктов) характеризуемой массой ,
объемом ,температурой ,удельными плотностями внутренней энергии и энтальпии
и газовой постоянной ; ,зоной продуктов сгорания ,
удельной теплоемкостью =
характеризуемой массой , объемом ,температурой ,удельными плотностями внутренней
энергии и энтальпии ,удельной теплоемкостью =
и газовой постоянной ;и зону
вовлечения состоящую из глобул несгоревшей части заряда, вовлеченных турбулентными
,
и
пульсациями в зону сгоревшей части заряда, и характеризуемой параметрами
=
Модель описывается следующей системой ДУ:[3,1]
– Уравнение баланса тепловой энергии в зоне несгоревшей части заряда
+
++
=
0
.
(1)
– Уравнение состояния несгоревшей части заряда
+
+
=
0
.
(2)
– Уравнение баланса тепловой энергии продуктов сгорания
+
++
=
0
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
.
4
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
(3)
– Уравнения состояния продуктов сгорания
(4)
где
– универсальная газовая постоянная, а – число киломолей i-го компонента
продуктов сгорания.
– Уравнения кинетики химических реакций в продуктах сгорания
+
=0,
i=1,….,N ,
(5)
где
– число киломолей i-го компонента в состоянии химического равновесия при
,
– равновесная скорость его образования,
заданных давлении p и температуре
вычисляемая по уравнениям химической кинетики, а N – общее число компонентов.
– Уравнение вовлечения свежей смеси в зону сгорания (1-е уравнение Близарда –
Кеека)
=0 ,
где:
=
(6)
(среднеквадратическая скорость турбулентности)
условная площадь фронта пламени, вычисляемая, как функция
– скорость ламинарного пламени
,конфигурации камеры сгорания и положения поршня,
в камере сгорания, причем
=
,
(7)
где
– скорость ламинарного сгорания топливовоздушной смеси при T = 295K и p
=
,
коэффициент остаточных газов, а
и
– эмпирические константы, зависящие
от свойств топлива.
– Уравнение выгорания свежей смеси (2-е уравнение Близарда – Кеека)
=0 ,
где –
min
=
, микромасштаб Тейлора ;
(8)
–кинематическая вязкость газа; и L=
,интегральным масштабом турбулентности;
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
5
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
В модели принимается, что теплообмен между зонами свежей и сгоревшей смеси
происходит лишь на фронте пламени и сводится к прогреву свежей смеси и подготовке ее к
сгоранию. При этом, как показано в работе [7], плотность энтальпии перед фронтом
пламени (в т.н. зоне прогрева) превышает плотность энтальпии как свежей смеси, так и
продуктов сгорания. Для замыкания модели сгорания Близарда – Кеека необходимо
вычислить характеристики турбулентных пульсаций рабочего тела, для чего приходится
привлечь метод ККО и известную k − модель турбулентности Сполдинга – Лаундера [11].
В качестве ККО рассматривается весь объем, ограниченный огневой поверхностью
цилиндра. Газодинамическая обстановка в этом объеме характеризуется следующими
уравнениями:
– уравнением баланса кинетической энергии K регулярного течения
(9)
где P – интенсивность источника турбулентности, допускающая оценку
(10)
в которой l ≈ 0.22L – линейный размер турбулентности, C – эмпирическая константа, k
–кинетическая энергия турбулентных пульсаций, а индексами “in” и “ex”помечены газовые
потоки, входящие в камеру сгорания и покидающие ее;
– уравнением баланса кинетической энергии турбулентности
(11)
– уравнением объемов
(12)
Как следует из уравнения (9), основным источником кинетической энергии газов в
цилиндре ДВС является энергия течения во впускных каналах двигателя. Поэтому для
замыкания системы уравнений, описывающих модель Близарда – Кеека, необходимо
выполнить моделирование системы газообмена ДВС. Учитывая геометрические и
кинематические характеристики рассматриваемых систем [4], при разработке их
математических моделей целесообразно выбрать в качестве базисной модель одномерной
газовой динамики [5]. Расчленим исследуемую систему на совокупность достаточно
коротких стандартных элементов, которые можно рассматривать, как отдельные ККО.
Предполагая, что уравнение состояния газовой смеси в каждом i-м ККО описывается
, и, усреднив поле скоростей в поперечных
уравнением политропы с показателем
сечениях каналов, получаем следующую рекуррентную систему уравнений:
(13)
где: – длина осевой линии i-го ККО,
– средняя скорость газа в i-м сечении,
–
давление в этом сечении, α 0,i – коэффициент количества движения (для турбулентного
течения
= 1.07 ),
– коэффициент кинетической энергии,
– коэффициент
гидравлического сопротивления, причем два последних коэффициента приведены к i-му
сечению.
Первое из уравнений (12) получено дискретизацией уравнения количества движения,
а второе – дискретизацией уравнения неразрывности с учетом политропного уравнения
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
6
Секция 10 «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ В ТЕХНОСФЕРЕ»
состояния газа в каждом ККО. Для уточнения значений коэффициентов
,
,а
также показателей политропы
наряду с натурным экспериментом целесообразно
выполнить численные эксперименты на ЭВМ, используя коммерческие программы
газодинамических
Литература
1 . Бек Дж., Блэкуэлл Б., Сент-Клэр Ч., мл. Некорректные обратные задачи
теплопроводности: Пер. с англ. — М: Мир, 1989. – 312 с.
2. Божкова Л.В., Кольчугин Е.И. // Б.И. – 2009. – № 184.
3. Большаков А. М. Автомобильные каталитические конвертеры// Химическая
технология- 2000.-№ 1- с. 2- 12
4. Вихерт М.М., Грудский Ю.Г. Конструирование впускных систем быстроходных
дизелей. — М.: Машиностроение, 1982. — 151 с.
5. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. — М.:
аука,1985. — 368 с.
6 . Ерохов В. И., Системы впрыска бензиновых двигателей , 2011 -551с
7. Крюков В.Е., Наумов В.И. и др. Горение и течение в агрегатах энергоустановок.
М.:«Янус-К», 1997. — 304 с.
8.Международная научно-техническая конференция ААИМГТУ«МАМИ»2002,b68.
9- Орлина А.С. Круглова М.Г. М., двигатели внутреннего сгорания: Устройство и
работа поршневых и комбинированных двигателей.; Машиностроение, 1980.288 с.
10. Шароглазов Б. А.,Фарафонтов М. Ф., Клементьев В. В. Двигателей внутреннего
сгорания: теория моделирование и расчет процессов Челябинск 2005 - 403 c.
11. Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation if turbulent flow // Comp.
Meth.Appl. Mech. Eng., 1974. — V.3, № 2. — P. 269-289.
12. www.fips.ru /cdfi/Fips2009.dll //Устройство для очистки выхлопных газов
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
7