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

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

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

В настоящее время проблема улучшения экологических качеств дизелей становится актуальной для большинства развивающихся стран, в том числе и для Иордании, где дизели получают все большее применение в городском транспорте и в сельском хозяйстве. Установки с дизелями эксплуатируются в закрытых помещениях и в зонах с ограниченными условиями воздухообмена (гаражи, животноводческие помещения и др.).

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

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

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

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

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

Априори, подобный подход к решению проблемы полностью исключал бы необходимость в производстве (синтезировании) дорогостоящих метал-лосодержащих органических соединений.

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

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

На защиту выносятся следующие основные положения:

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

— данные исследования характера влияния коллоидно-дисперсной фазы на параметры воспламенения топливно-воздушной смеси в дизеле;

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

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

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

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОД.

1. Аналитически обоснована и экспериментально подтверждена возможность улучшения эколого-экономических характеристик дизеля путем применения присадок к топливу мелкодиспергированных металлических частиц .

2. Отличительной особенностью применение диспергированных металлов в свободном, химически не связанном состоянии, в качестве антидымных и антитоксичных средств является то, что их изготовления исключает необходимость в организации сложных химических технологий для синтеза органических металлосодержащих соединений, используемых для приготовления традиционных присадок к топливу.

3. Результатами исследований обоснована целесообразность использования термогравиметрического (лабораторного) метода для проведения предварительной оценки эффективности и выбора дисперсной металлической среды в качестве высокоэффективного компонента антидымного средства.

4. Данными исследования установлено, что повышение реакционной активности коллоидно-дисперсного катализатора принципиально может быть достигнуто зачет максимально возможного разукрупнения (измельчения) дискретного компонента, в пределе, до размеров, соответствующих его атомарному состоянию .

5. В рамках рабочей гипотезы сформулированы положения о механизмах физико — химического воздействия дисперсной металлической массы на кинетические параметры процессов воспламенения, сгорания и сажевыделения, получены соответствующие аналитические соотношения,.

6. Аналитически обосновано и экспериментально подтверждено научно-методическое положение, согласно которому интенсивность воздействия на кинетические параметры процессов сгорания и сажевыделения в дизеле мелкодиспергированной металлической массы падает ао мере увеличения ее концентрации в топливе, в пределе, стремясь к насыщению.

7. С использование в ходе исследования данных предложен способ усовершенствования организации рабочего процесса дизеля на основе использования активирующих металлодисперсных средств, отличительными особенностями которого является: возможность улучшения экологических характеристик при одновременном повышении топливной экономичностиуниверсальность, то есть возможность применения на любых типах дизелей, в том числе и на дизелях, находящихся в эксплуатациитехнологическая простота, а также низкая стоимость средств, реализующих данный способисключение необходимости в переоборудовании и изменении конструкции двигателя и его систем.

Перечисленные выше отличительные особенности предложенного способа организаций рабочего процесса обеспечивают получение следующих положительных качеств при работе двигателя на номинальном режиме: снижение выбросов в атмосферу оксидов азота на 16%- снижение выбросов сажи на 25%- снижение выбросов окиси углерода не менее, чем на 10%- снижение удельного эффективного расхода топлива на 4,5%.

Таким образом, разработанный усовершенствованный способ организации рабочего процесса дизеля и предложенные средства для его реализации способствуют решению важной социально-экономической проблемы — охрана окружающей среды и рациональное использование энергоносителей.

2.4.

Заключение

и выводы по главе. Проведенный в разделах 2.1 — 2.3 анализ показал, что наличие коллоидно-дисперсной металлической среды в реагирующей топливпо-воздушпой смеси дизеля обуславливает возможность активного воздействия этой среды на кинетические параметры внутрицилиндровых процессов, определяющих экологические и экономические показатели двигателя. Эти воздействия проявляются в кинетике предпламепиого реагирования топливпо-воздушпой смеси, в стадии активного ее выгорания, а также в заключительных стадиях цикла при выгорании продуктов неполного сгорания, в том числе и сажи.

Обобщение всего изложенного в предыдущих разделах главы позволяет сформулировать ряд конкретных выводов:

1. Каталитически активное воздействие коллоидно-дисперсной среды, введенной в рабочий объем дизеля, проявляется в инициировании процессов предпламенпых превращений углеводородов топлива, что приводит к сокращению длительности индукционного периода и уменьшению накапливания массы топливных паров к моменту их воспламенения и, соответственно, к снижению удельного теплового эффекта от их выгорания в кинетической стадии цикла, уменьшению максимальной температуры к моменту завершения этой стадии сгорания. При этих условиях создаются предпосылки для снижения скорости окисления азота в дизеле.

2. Анализ показал (зависимость 2.1), мго с ростом концентрации коллоидно-дисперсной среды в реагирующей топливно-воздушной смеси интенсивность ее влияния па длительность индукционного периода ослабевает.

3. Эффективность воздействия металлического катализатора на внутри-цилиндровые процессы дизеля зависит от его химической природы и степени диспергирования.

4. Результатами термогравиметрических и сследований выявлен ряд металлов переходной валентности, обнаруживающих наибольший эффект активации процесса выгорания сажистых частиц в камере сгорания дизеля.

5. Снижение результирующего сажевыделения в дизеле в присутствии диспергированного металлического катализатора способствует уменьшению уровня потерь теплоты и повышению топливной экономичности двигателя.

6.

Введение

в реагирующую углеводородно-воздушную среду дополнительного количества активных частиц в виде диспергированного металла приводит к увеличению плотности активных центров зарождения реакций, к расширению пределов воспламеняемости топливо-воздушной смеси, к увеличению количества очагов воспламенения и, в конечном счете, к снижению температурной неоднородности среды реагирования. Последнее (согл. данным проф. Д.Д.Мат^иевского) обусдавливает минимизацию выхода с продуктами сгорания оксидов азота.

7. Присутствие мелкодиснергированного активатора в рабочем пространстве дизеля интенсифицирует' основную (диффузионную) стадию сгорания, сокращая общую продолжительность сгорания фх в цикле, способствуя тем самым повышению его термодинамической эффективности.

Безусловно, что эти выводы, сформулированные на основе результатов аналитического исследования с привлечением известных положений теорий гетерогенного катализа и сгорания в ДВС, имеют, но своей сущности гипот ет ический характер и, следовательно, их правомерность требует соответствующей экспериментальной проверки.

Тем Не менее проведение подобного предварительного исследования методически оправдано тем, что полученные результаты и выводы позволяют' более обоснованно и целенаправленно сформулировать задачи, методику и программу последующих экспериментальных исследований (главы 3 и 4). В частности, полученные данные анализа позволяют методически обосновать необходимую структуру и поэлементный состав системы измерений опытной установки для проведения натурных исследований, позволяющей проводить регистрацию наиболее важных параметров рабочих процессов, которые определяют экологические и топливно-экономические показатели дизеля. Это позволит научно-методически обосновать выявленные экспериментом изменения в характере протекания внутрицилиндровых процессов, обусловленные присутствием коллоидно-дисперсной фазы, а также установить возможные границы и необходимые условия, при которых реализуется наибольшая эффективность воздействия от ее присутствия.

Глава 3. Экспериментальная установка и методика проведения исследований. Оценка погрешности измерений.

3.1. Цель и задачи экспериментального исследования.

Критерием достоверности любого аналитического исследования является его практическая проверка па основе сравнения результатов анализа с данными натурного эксперимента.

В главе 2 проанализированы характер влияния и эффективность воздействия дисперсной металлической среды па кинетику предпламепиого реаг ирования и воспламенение углеводородно-воздушной смеси в дизеле. Проведена гипотетическая оценка этого воздействия па процессы сажевыделения и па кинетику сгорания смеси и окисление азота в рабочем пространстве двигателя. В рамках рабочей гипот езы обоснована возможность снижения содержания сажи и оксидов азота в продуктах сгорания дизеля и повышения его топливной экономичности в условиях организованного активированного процесса сгорания.

Из сказанного выше становится очевидной цель экспериментального исследования: опытная проверка результатов аналитического исследования и ряда сделанных при этом гипотетических положений на основе комплексного изучения параметров рабочего процесса дизеля и его эколого-экономических показателей, установление границ применимости высказанных положений и гипотез.

Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих задач:

1. Экспериментальная проверка влияния коллоидно-дисперсной среды, введенной в рабочее пространство двигателя, на кинетические параметры процессов воспламенения и сгорания дизельного топлива.

2. Установление рациональных концентрационных пределов по содержанию дисперсных металлов в дизельном топливе, при которых достигается снижение токсичности ОГ и повышение топливной экономичности исследуемого дизёля.

3. Снятие скоростных, нагрузочных и токсических характ еристик дизеля, работающего на 1опливе с нрисаДкамй металлических дисперсных частиц, и сравнение их со штатными (исходными) аналогичными характеристиками двигателя для окончательной оценки эффективности и целесообразности применения данного вида антитоксичиых и аптидымпых средств.

3.2. Экспериментальная установка.

Экспериментальная установка создана в лаборатории рабочих процессов двигателей кафедры «Комбинированные ДВС» РУДН на базе одноцилиндрового вихрекамерного дизеля тина Ч 8,5/11. Двигатель смонтирован на фундаментной раме совместно с балансирной машиной (эл. тормозом).

Технические характеристики двигателя приведены в таблице 3.1. Принципиальная схема установки показана на рис. 3.1.

Моторный испытательный стенд VEM «Rapido» (Германия) был оборудован необходимыми устройствами и сист емами, позволяющими поддерживать любой заданный режим работы двигателя и выполнять все необходимые измерения согласно ГОСТ 14 846–81.

Стенд, оборудован впускной, выпускной, топливной, масляной системами. Для поддерживания заданного теплового состояния двигателя разработана система принудительного охлаждения, при которой охлаждающая жидкость па выходе из дизеля подверглась разбавлению водопроводной водой до уровня рабочего состояния (85. 90°С).

Изменение нагрузки производилось с помощью системы реостатов.