Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема экологической безопасности неуклонно растущего автотранспортного комплекса России требует ог промышленности внедрения новых перспективных технологий, обеспечивающих автомобилю выполнение все более ужесточающихся нормативных требований по выбросу вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Доля автотранспорта в общих выбросах вредных веществ составляет около 35 %, в городах этот показатель значительно выше и в отдельные периоды может достигать 60...80 %.
Рост автомобильного парка требует периодического обновления стандартов и ужесточения нормативных требований по выбросу вредных веществ автотранспортными средствами (АТС). В соответствие с техническим регламентом «Об экологической безопасности транспортных средств» (Директива 2003/76 ЕС), который на государственном уровне отражает национальную программу по повышению экологической безопасности отечественного автотранспортного комплекса, в 2010 г. в России планируется переход на нормы ЕВРО-4 с последующим плановым переходом на европейские стандарты и правила по процедурам испытаний. Существующая процедура испытательного цикла предусматривает отбор проб после пуска непрогретого двигателя. При этом, как показывает опыт, 60...80% СО, СН от суммарного количества за испытательный цикл выбрасывается в его начальной фазе. Основными причинами снижения экологических качеств автомобиля в этих условиях являются неэффективная работа системы нейтрализации и повышенная концентрация СО, СН на выходе из двигателя, обусловленная характером протекающих процессов смесеобразования и сгорания в условиях непрогретого ДВС.
Одним из наиболее эффективных и энергетически выгодных способов ускоренного прогрева и улучшения стартовых (на начальном этапе испытательного цикла) характеристик системы нейтрализации ОГ (СНОГ) является электрохимический способ с использованием химических соединений (реагентов), вводимых в проточный тракт нейтрализатора. Отдельным и еще мало исследованным методом по ускоренному выводу каталитического блока на режим активного функционирования является применение водородного реагента. Актуальной задачей отечественного автомобилестроения является также совершенствование конструкции автомобильных систем нейтрализации в направление снижения себестоимости производства.
Поиск наиболее экономически целесообразного и эффективного решения социально важной проблемы, связанной с улучшением экологических характеристик автомобильных ДВС и СНОГ, обусловил целесообразность проведения данного исследования.
Целью диссертационной работы является: разработка комплексного метода повышения экологических качеств автомобильной энергетической установки с бензиновым двигателем путем совершенствования показателей его рабочего процесса в пери-
од пуска и прогрева и стартовых характеристик системы нейтрализации отработавших газов.
Исходя из поставленной цели, определены следующие задачи исследования.
1. Сформулировать и методически обосновать комплексный метод улучшения старто-
вых экологических показателей автомобильного двигателя и ускоренного прогрева его системы нейтрализации на основе использования водородного реагента.
2. Провести расчетно-теоретическое исследование влияния на температурно-
энергетическое состояние рабочего тела в выпускном тракте ДВС и эффективность системы нейтрализации режимных и регулировочных параметров двигателя, работающего на водородосодержащем топливе, в период его холодного пуска и прогрева.
3. Разработать систему средств и технических решений для реализации предложенного
комплексного метода, адаптированную к условиям работы двигателей автомобилей семейства ВАЗ.
4. В рамках реализации предложенного метода исследовать возможность оптимизации
состава драгметаллов, используемых в качестве катализаторов, с целью снижения стоимости системы нейтрализатора ОГ двигателя.
5. Разработать методику и на ее основе провести серию экспериментальных исследова-
ний на моторном стенде для проверки эффективности предложенной системы средств и технических решений, реализующих концепцию предложенного метода.
6. Провести исследование автомобиля с бензиновым ДВС на стенде с беговыми бара-
банами по методике Европейского испытательного цикла с целью оценки эффективности предложенного метода в условиях эксплуатации.
7. Провести оценку эколого-экономической целесообразности внедрения предложенно-
го метода (на примере автомобильного парка г. Москвы) по уровню предотвращенного ущерба окружающей среде города. Методы исследования. При выполнении работы применялись расчетно-аналитические и экспериментальные методы исследования. Экспериментальные исследования проводились по разработанной методике на специализированном моторном стенде, а также в условиях стандартного испытательного цикла на стенде с беговыми барабанами.
Достоверность полученных результатов обеспечена адекватностью данных аналитических и экспериментальных исследований, а также использованием современного измерительного оборудования и приборов с соблюдением государственных стандартов. Научная новизна. Научно - методически обоснованы и исследованы основные принципы подхода к проблеме комплексного повышения стартовых экологических показателей автомобильного двигателя и СНОГ на основе разработки:
феноменологической модели, позволяющей реализовать комплексный метод улучшения экологических качеств двигателя на основе совершенствования его показателей и ускоренного прогрева системы нейтрализации с использованием водородного реагента;
методики расчетно-теоретического исследования влияния на температурно-энергегическое состояние рабочего тела на выпуске ДВС и эффективность системы нейтрализации режимных и регулировочных параметров двигателя, работающего на водородосодержащем топливе, в период его пуска и прогрева;
методики согласования температурно-энергетического потенциала теплоносителя и энергетических затрат на синтез водородосодержащего продукта;
- методического обоснования процедуры формирования рациональной системы тех
нических решений для реализации предложенного метода.
Практическую значимость работы представляют следующие положения:
Разработанные рекомендации по совместному использованию синтезированных в бортовой системе водородосодержащих продуктов в качестве химического реагента обеспечивают устойчивую работу двигателя на обедненной смеси в период его прогрева, снижение выбросов с ОГ СН и СО до 75 и 55% соответственно, ускорение прогрева нейтрализатора в 5,6 раза.
Реализация предложенного метода обуславливает возможность уменьшения выбросов автомобилем ВАЗ за период «холодной» фазы испытательного цикла: СН на 45%, СО на 40%, NOxro 28% по сравнению с его серийным аналогом. За весь испытательный цикл выбросы этих компонентов ОГ снижаются на 36, 34 и 12% соответственно, что позволяет гарантированно реализовать требования перспективных для российского автотранспортного комплекса Правил 83-05 ЕЭК ООН (ЕВРО-4).
Внедрение предложенного метода только в среде парка автомобилей ВАЗ г. Москвы позволит снизить суммарный экологический ущерб окружающей среды города от выбросов вредных веществ более, чем в 2,2 раза по сравнению с экологическим классом АТС ЕВРО-3.
При применении метода создаются предпосылки к уменьшению на 25% содержания драгметаллов платиновой группы в каталитических нейтрализаторах ОГ ДВС при сохранении их исходной эффективности.
Концептуальные принципы, положенные в основу предложенного метода, предопределяют возможность дальнейшего совершенствования экологических характеристик автомобильных двигателей и их систем нейтрализации до уровня, при котором обеспечивается удовлетворение требований перспективного европейского стандарта (ЕВРО-5).
Объектом исследования являлся двигатель автомобиля ВАЗ-2112 с опытными системами синтеза водородосодержащего продукта и каталитической нейтрализации ОГ.
Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные результаты проведенного исследования переданы в ФГУП ГНЦ «НАМИ» для использования при выполнении программ фундаментальных и поисковых исследований. Материалы диссертации и ее результаты используются в учебном процессе кафедр «Эксплуатация автотранспортных средств» РУДН и «Автомобильные и тракторные двигатели» МГТУ «МАМИ».
Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседаниях кафедр «Эксплуатация автотранспортных средств» Российского университета дружбы народов и «Автомобильные и тракторные двигатели» Московского государственного технического университета «МАМИ».
По основным разделам диссертации был сделан доклад на XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», ВлГУ, май, 2008, г.Владимир.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 2 в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 95 наименований. Материалы диссертации изложены на 149 странице машинописного текста, иллюстрированного 19 таблицами и 52 рисунками.
