Модификация блочными катализаторами глушителя дизельных двигателей пожарных автомобилей

Разработка эффективных методов и создание устройств для обезвреживания ОГ двигателей ПА является актуальной задачей охраны труда в подразделениях ГПС МВД России. К приведению экологических показателей ПА к установленным нормам вынуждает и природоохранное законодательство. Статьи 42 и 37 главы 2 Конституции России гарантируют «право каждого на благоприятную окружающую среду и труд в условиях, отвечающих требованиям безопасности и гигиены» [1]. Кроме того, в нашей стране действует закон «Об охране окружающей среды», предписывающий предприятиям, в том числе и Государственной противопожарной службы, внедрять мероприятия по охране окружающей среды, а также предусматривающий ответственность и возмещение ущерба при нарушении установленных норм. В крупных городах России (Москве и Санкт-Петербурге) правительства, принимают решительные меры по снижению влияния автотранспорта на экологическую обстановку города. В 1994 году была принята комплексная экологическая программа Москвы. В настоящее время действует постановление правительства Москвы от 18.02.97 N100 «О ходе работ и дальнейших мерах по снижению вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду и здоровье населения Москвы». В С.-Петербурге распоряжением губернатора И312-Р от 29.12.97 «О дополнительных мерах по снижению выбросов автотранспортом загрязняющих веществ» предписывается в 1998;2003 г. г. оснастить автотранспорт государственных и муниципальных организаций устройствами для очистки ОГ. Аналогичные требования предъявляются к ПА [13].

Проблема уменьшения загрязнения атмосферного воздуха, осо.

— 8 бенно в крупных городах России, в настоящее время приобретает все большую актуальность. Двигатели автомобильного транспорта являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды: сегодня в городах России на их долю приходится более 80% от общих выбросов вредных токсичных веществ [4]. Так, по данным Москомпри-роды, на долю автотранспорта в Москве приходится 87% от всего объема вредных выбросов [5]. На международном конгрессе «Экология мегаполиса-96» отмечалось, что ежегодно автомобили выбрасывают в городскую атмосферу около 2 млн. тонн вредных выбросов [5]. По данным национальной академии наук США [5], именно автомобили в крупных городах могут быть причиной 20−25% заболеваний. Так, с развитием эры автомобилизации, отмечено увеличение удельного веса смертности от рака легких [20].

Основная масса вредных компонентов отработавших газов (ОГ) двигателей автомобилей (до 90%) поступает в атмосферу в виде газообразных и аэрозольных продуктов: оксида углерода (СО), окислов азота (Ж)х), альдегидов, углеводородов (СпНт) и сажи.

Одним из направлений совершенствования автомобильного транспорта является более широкое внедрение дизельных двигателей на автомобилях большой, средней и малой грузоподъемности. В нашей стране интенсивная дизелизация автомобильного парка началась в 1976 году с пуском первой линии Камского автомобильного завода. Сегодня на применение дизельных двигателей перешли ЗиЛ, Горьковс-кий автомобильный завод, Миасский автомобильный завод и другие. Эта тенденция коснулась и пожарных автомобилей.

Перспективность дизелей в сравнении с бензиновыми двигателями определяют, в основном, два фактора [6,71: более высокий КПД и меньшее удельное потребление топлива (на 30−40%) — значительно.

— 9 меньшая токсичность отработавших газов (табл.В. 1).

Таблица В.1.

Сравнительная оценка токсичности автомобилей с различными двигателями внутреннего сгорания [8].

Токсичное вещество Эмиссия токсичных веществ с отработавшими газами, г/км автомобиль с бензиновым двигателем, имеющий каталитический нейтрализатор автомобиль с дизелем.

Оксид углерода 2.7 1.0.

Углеводороды +оксиды азота 1.4 1.0.

Диод серы + частицы малая (почти отсутствует) 0.2.

Сумма токсичных веществ 4.1 2.3.

Анализ тенденций развития транспортных двигателей показывает, что дизели будут основным силовым агрегатом на автомобильном транспорте [9], в том числе и пожарном.

Дизели широко применяются на ПА различного назначения. Так, дизели 2Д12Б используются в качестве привода пожарного насоса на пожарной насосной станции ПНС-110(131)131а, дизель КамАЗ-740 применяется на автоцистернах АЦ-40(43 202)186, АЦ-5−40(4310), АЦ-7−40(53 213), АП-5(53 213)196, АА-40(43 105)189, рукавном автомобиле. АР-2(43 105)215, автолестницах АЛ-30(4310)ПМ512 и АЛ-50(53 229)ПМ-513, автоподъемниках АКП-30(53 213)ПМ-509 и АКП-50(53 213)ПМ-509 и других ПА. ,.

В настоящее время Московский карбюраторный завод «АМО-ЗиЛ» выпускает пожарные автоцистерны АЦ-1.5−40/4(5301) и АЦ-3−40/4(4331−04) на шасси грузовых автомобилей 3ил-5301 и Зил-4331- АООТ «УралАЗ пожтехника» освоило выпуск пожарных авто.

— 10 цистерн АЦ-6−40(5557), АЦ-8−40(55 571) и АЦ-8−40(4320) на шасси грузовых автомобилей Урал-5557,Урал-55 571 и Урал-4320 [10].

Вклад вредных выбросов двигателей ПА в загрязнение окружающей среды не велик. Однако, при эксплуатации в городской черте, они должны удовлетворять действующим отечественным и международным природоохранным нормативам, в частности, Еиго-2 и с 1999 года, Еиго-3 [И]. Кроме того, в силу специфических условий оперативной эксплуатации пожарной техники, ОГ представляют серьезную опасность для здоровья и жизни личного состава пожарных частей. Так, при выезде ПА из гаража, в помещения пожарного депо выбрасывается повышенное количество оксида углерода, углеводородов и сажи. В результате «залпового» выброса ОГ, помещения заполняются удушливым дымом и гарью. В сложных санитарно-гигиенических условиях приходится работать водителю пожарного автомобиля на насосной установке, размещенной в зоне выброса ОГ. По данным исследований национального института здравоохранения США [12], на первом месте по признаку токсического воздействия на организм человека находится личный состав пожарных команд и работники локомотивных депо. Подтверждением этому оказывается и тот факт, что наиболее распространенными профессиональными заболеваниями пожарных являются заболевания органов кровообращения и дыхания.

Решение вопроса снижения токсичности ОГ двигателей ПА является комплексной научно-технической задачей и может быть достигнуто воздействием на рабочий процесс двигателя автомобиля с целью изменения физических параметров топливовоздушной смеси, определяющих образование вредных веществ, и обезвреживанием ОГ после их выпуска из цилиндров [14,21,22 и др.]. Учитывая ограниченные возможности воздействия на рабочий процесс двигателя пожарного авто.

— 11 мобиля в эксплуатации [6], снижение вредных выбросов для них может быть осуществлено методом обезвреживания ОГ на выпуске путем каталитической нейтрализации.

Метод каталитической нейтрализации ОГ успешно применяется как для двигателей с искровым зажиганием, так и для дизелей [15]. Опыт использования каталитических нейтрализаторов (КЕ) показал их высокую эффективность’в отношении продуктов неполного сгорания топлива: СО, СпНт, альдегидов и сажи [14,16,17,18 и др.]. В настоящее время все большее распространение находят КН нового поколения: блочные сотовой конструкции на металлическом и керамическом носителе, с использованием в качестве катализатора драгоценных металлов — платины, палладия, родия и т. п.

Однако, не смотря на достигнутые положительные результаты, более широкое применение (в том числе и на ПА) блочных КН сдерживается рядом причин. Объясняется это, прежде всего, недостаточной изученностью отдельных аспектов этой проблемы. Так, следует признать очевидным тот факт, что КН, устанавливаемый в системе выпуска автомобиля, создает противодавление потоку ОГ, что понижает мощность двигателя, снижая динамические свойства автомобиля. В то же время недостаточность сведений о газодинамических характеристиках блочных металлических носителей осложняет проектирование новейших конструкций контактных аппаратов для ПА с учетом отмеченного их недостатка.

Кроме того, следует иметь в виду, что выбросы вредных веществ с ОГ двигателя — главный, но далеко не единственный фактор отрицательного воздействия автомобиля на окружающую среду. Вторым по значимости можно считать создаваемый им шум, который, воздействуя на нервную систему человека, является причиной его утомления.

— 12.

19]. У человека, привыкшего к окружающему шуму, нередко расстра-. иваются функции уха, горла и носа, а иногда нарушаются мозговые функциипоэтому, согласно действующим санитарным нормам, при шуме в 90 дБА человек может находиться до 8 часов, при повышении шума на каждые 5 дБА после 90 дБА, допустимая продолжительность пребывания сокращается в 2 раза [20].

Следовательно, при внедрении КН на ПА, возникает необходимость исследования шумоизлучающих характеристик блочных каталитических нейтрализаторов сотовой конструкции на металлическом носителе (БКНСКМН). Исследованию отмеченных проблем, в связи с проектированием и внедрением на пожарном автомобиле АЦ-40(43 202)186 глушителя с БКНСКМН (КНГ-220/2−186), и посвящена настоящая диссертационная работа.

Таким образом, объект исследования направлен на изучение явлений процесса технической эксплуатации дизелей ПА, порождающих сверхнормативное техногенное воздействие ОГ дизельных двигателей на личный состав пожарных частей и окружающую среду. Предметом исследования являлись газодинамические, токсические и акустические характеристики глушителя с БКНСКМН, применительно к условиям эксплуатации дизелей ПА.

По выполненной работе на защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

1. Обоснование физической и математической модели газодинамических процессов при движении ОР дизеля в глушителе с блочным нейтрализатором, с учётом акустических явлений.

2. Методика расчета потерь давления при движении ОГ по каналам глушителя с блочным нейтрализатором. 3. Численные значения коэффициента местного сопротивления.

— 13.

КМС) модифицированного глушителя с БКНСКМН в диапазоне работы. двигателя от холостого хода до номинального режима, полученные путем гидродинамического моделирования движения потока ОГ в системе газовыпуска дизелей КамАЗ.

4. Конструкция модифицированного глушителя со встроенным БКНСКМН (КНГ-220/2−186) для дизеля КамАЗ-740 пожарного автомобиля АЦ-40(43 202)186.

5. Количественные показатели содержания и снижения выбросов оксида углерода, углеводородов и дымности дизеля КамАЗ-740 пожарного автомобиля АЦ-40(43 202)186, оборудованного КНГ-220/2−186 в условиях реальной эксплуатации.

6. Акустические характеристики (по звуковому давлению) пожарного автомобиля АЦ-40(43 202)186 с дизелем КамАЗ-740, оборудованного КНГ-220/2−186.

7. Рекомендации по техническому обслуживанию пожарных автомобилей с дизелем семейства КамАЗ, оборудованных КНГ-220/2−186 в процессе эксплуатации.

Диссертационная работа выполнялась в СПб университете МВД России, экспериментальные исследования по определению КМС модифицированного глушителя проводились в гидравлической лаборатории кафедры N17 Военной инженерно-космической академии им. А. Ф. Можайского по договору N ДС-97−03- газодинамические и акустические испытания осуществлялись в Производственно-техническом центре (ПТЦ) Управления государственной— противопожарной службы (УГПС) ГУВД Санкт-Петербурга и Ленинградской области, по телефонограмме начальника отдела пожарной техники (ОПТ) УГПС N366 от 11.06.97 в соответствии с указанием начальника УГПС в период с 1995 по 1998 год.

— 15.

4.5. Выводы.

На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. В результате гидродинамических испытаний получены значения коэффициентов местного сопротивления для пяти вариантов модифицированного глушителя оборудованного БКНСКМН с различной комбинацией каталитических блоков, модифицированного глушителя без БКНСКМН и серийного глушителя автомобиля Урал-4320, соответствующие по числам Рейнольдса движению потока ОГ при работе двигателя в диапазоне от холостого хода до номинального режима.

Так, при работе двигателя КамАЗ-740 в номинальном режиме значения коэффициентов местного сопротивления для каждого из пяти вариантов модифицированного глушителя, оборудованного БКНСКМН с различной комбинацией каталитических блоков, в два — три раза меньше значения коэффициента местного сопротивления серийного глушителя пожарного автомобиля АЦ-40(43 202)186, что определяет дополнительный резерв мощности двигателя пожарного автомобиля.

— 164.

2. Полученная аналитическая зависимость: Igt = f (lgRe) (4.2), позволяет с погрешностью до 5% рассчитывать значения коэффициента местного сопротивления исследованных конструкций глушителей при работе двигателя КамАЗ-740 в диапазоне от холостого хода до номинального режима.

3. Экспериментальными исследованиями на пожарном автомобиле АЦ-40(43 202)186 с погрешностью 9% - 17,8% подтверждены расчетные значения потерь давления в исследованных вариантах глушителя, что доказывает правильность принятой газодинамической модели и методики расчета потерь давления в КНГ с блочными носителями. ¦

4. Установлено, что каталитический нейтрализатор в составе газовыпускного тракта пожарного автомобиля АЦ-40(43 202)186 с дизелем КамАЗ-740 показал эффективность очистки при следовании пожарного автомобиля на пожар по СО 90−98%, CnHm — 70−80% и дымности — 40−50%, а при использовании АЦ-40(43 202)186 в качестве насосного агрегата эффективность составила по СО 90−98%, CnHm -75−79% и дымности — 40−58%.

5. В результате оценки акустической характеристики газовыпускного тракта пожарного автомобиля АЦ-40(43 202)186 установлено, что КНГ-220/2−186, оборудованный. БКНСКМН в виде двух каталитических блоков с площадью канала 3, 3 мм² по уровню звукового давления, превышает серийный глушитель автомобиля Урал-4320 на 1−4 дБ в отдельных октавных частотах и на 1 дБА в корректирующей частотной характеристике «А» — при этом УВГ, понижает звуковое давление в отдельных октавных частотах на 1−6 дБ и на 2 дБА в корректирующей частотной характеристике «А» .

В итоге КНГ-220/2−186 в комплектации с УВГ обеспечивает снижение звукового давления на уровне серийного глушителя автомобиля.

— 165.

Урал-4320.

Уровень внутреннего шума в кабине пожарного автомобиля АЦ-40(43 202)186 на корректирующей частотной характеристике «А» показал одинаковые (в пределах погрешности измерений) значения звукового давления при комплектации системы газовыпуска серийным или модифицированным глушителем.

— 166.

Глава 5. Разработка технологии технического обслуживания КНГ-220/2−186 применительно к условиям эксплуатации в подразделениях ГПС.

Техническое обслуживание пожарных автомобилей, организация которого регламентирована [2], должно обеспечить: постоянную техническую готовность пожарного автомобиля к использованиюнадежную работу автомобиля, его агрегатов и систем в течение установленного срока службыбезопасность движенияустранение причин, вызывающих повышение скорости изнашивания деталей и, как следствие, — возникновение отказов и неисправностейминимальный расход горюче-смазочных и других эксплуатационных материаловуменьшение отрицательного воздействия автомобиля на окружающую среду [25].

Каталитический нейтрализатор представляет собой химический реактор, ресурс работы которого составляет 80−100 тыс.км. пробега для автомобиля с дизельным двигателем [14].

Однако, как показал опыт его эксплуатации на автомобилях с дизелями семейства КамАЗ [14], неисправности топливной аппаратуры и ЦПГ могут привести к повышенному выбросу с ОГ не сгоревшего топлива и масла. Вследствие этого вероятны прогары и спекание стенок каналов каталитических блоков, в результате чего возрастет противодавление потоку ОГ, понижающие полезную мощность двигателя.

Вероятность неисправности топливной аппаратуры и ЦПГ дизеля влечет необходимость введения операций технического обслуживания КНГ-220/2−186 с учетом реальных условий эксплуатации пожарного.

— 167 автомобиля.

Техническое обслуживание пожарных автомобилей включает: ежедневное техническое обслуживание при смене караулов (ЕТО), ТО на пожаре (учении), ТО по возвращению с пожара (учения), ТО после первых 1000 км пробега по спидометру, первое и второе ТО (Т0−1.Т0−2), сезонное ТО (СТО), выполняемое при переходе к осенне-зимнему или весенне-летнему периоду.

Технология ТО КНГ-220/2−186 разработана применительно к действующей типовой технологии ТО системы выпуска ОГ основного пожарного автомобиля [116], приурочена к основному регламенту и представлена в таблице 5.1.

Снятие, разборка и очистка от сажи КНГ-220/2−186 производится, при установке автомобиля над смотровой канавой, в следующем порядке: отвернуть гайки крепления хомута выпускной трубы и ослабить ее соединение с выпускным патрубком глушителяотсоединить выпускную трубу от глушителяотвернуть гайку болта крепления хомута корпуса глушителя и снять хомут с корпусадемонтировать глушитель, отвернув четыре гайки на фланце входного патрубка глушителяотвернуть гайки болтов крепления корпуса глушителя и разъединить его на фланцевом соединенииплавно устанавливая переднюю, часть корпуса глушителя в вертикальное положение, извлечь из нее два каталитических блокавыполнив необходимые операции с БКНСКМН, сборку КНГ-220/2−186 и системы выпуска ОГ произвести в обратном порядке. При сборке КНГ-220/2−186 обратить особое внимание на целост.

— 168.

— 171 -Заключение.

1. Дизельные двигатели пожарных автомобилей, выбрасывая с ОГ окись углерода, углеводороды, окислы азота и дизельную сажу, которая является адсорбентом бенз (сс)пирена, оказывающим концероген-ное воздействие на организм человека), наносят вред здоровью личного состава пожарных частей и существенно превышают нормативы требований отечественных и международных стандартов (в частности ЕВРО-2).

2. На основании анализа методов и средств борьбы с токсичными компонентами ОГ дизелей, применительно к пожарным автомобилям предлагается способ снижения эмиссии вредных компонентов ОГ путем каталитической нейтрализации с помощью блочного каталитического нейтрализатора сотовой конструкции на металлическом носителе (БКНСКМН), который позволяет путем конвертирования глушителя дизеля пожарного автомобиля существенно снизить выбросы с ОГ вредных веществ.

3. В результате теоретических газодинамических и акустических изысканий обоснована организация процесса каталитической нейтрализации и изготовлен модифицированный глушитель с БКНСКМН (КНГ-220/2−186) для пожарного автомобиля АЦ-40(43 202)186 с дизелем КамАЗ-740, позволяющий путем окислительного катализа на эксплуатационных режимах пожарного автомобиля уменьшить выброс СО на 90−98%, CnHm — на 70−80%, сажевого аэрозоля (дымности) — на 40−58% .

4. Разработаны инженерная методика расчета газодинамических потерь давления и методика гидравлических испытаний глушителя с.

— 172 блочным нейтрализатором сотовой конструкции по определению коэффициента его местного сопротивления,' которые рекомендуются к использованию при проектировании глушителей данного типа.

5. Каталитический нейтрализатор-глушитель КНГ-220/2−186, обладая в сравнении с серийным глушителем дизеля автомобиля Урал-4320 в 2−3 раза (в зависимости от конструкции БКНСКМН) меньшим газодинамическим сопротивлением, обеспечивает тем самым дополнительный резерв мощности двигателя пожарного автомобиля.

6. На основании математической обработки опытных данных предложена аналитическая зависимость 4.2, которая с погрешностью не более 5% позволяет рассчитывать КМС (?) КНР-220/2−186 в эксплуатационном диапазоне работы двигателя автомобиля (от холостого хода до номинального режима).

7. Теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная модель движения потока ОГ по каналам КНГ-220/2−186, как несжимаемой среды, позволяет с допустимой точностью (9−17,8%) определять потери давления в глушителе с использованием уравнений гидродинамики.

8. Каталитический нейтрализатор-глушитель КНГ-220/2−186, оборудованный БКНСКМН в виде двух блоков с сечением канала 3, 3 мм² в комплектации с УВГ обеспечивает снижение шума на 12 дБА, то есть на уровне серийного глушителя дизеля КамАЗ-740 автомобиля Урал-4320.

9. Разработана технология, технического обслуживания КНГ-220/2−186 применительно к условиям эксплуатации дизеля пожарного автомобиля в подразделениях ГПСразборная двухсекционная конструкция корпуса глушителя, не снижая прочности всего изделия, позволяет производить очистку его деталей от нагара и тем самым.

— 173 увеличивать эксплуатационный ресурс работы.

10. Модифицированный глушитель КНГ-220/2−186 получил положительную аттестацию при эксплуатационных испытаниях на пожарных автомобилях АЦ-40(43 202)186, внедрен в УГПС ГУВД. СанКт-Петербурга и Ленинградской области и поставлен на промышленное производство в ОАО «Сталепрокатный завод». Методики расчета потерь давления в глушителе с БКНСКМН/ экспериментального определения коэффициента местного сопротивления и его акустических характеристик внедрены в учебном процессе СПб университета МВД России, СПб ГАУ И АДИ СПб ГАСУ.

— 174.