Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Критический анализ проблемы эффективности каталитических нейтрализаторов при производстве и в эксплуатации 6
1.1. Проблема экологии автотранспорта и пути ее решения 6
1.2. Нейтрализация вредных выбросов отработавших газов автотранспортных средств с бензиновыми двигателями 11
1.3. Конструктивные и технологические особенности автомобильных каталитических нейтрализаторов 21
1.4. Выводы, постановка цели и задач диссертационной работы 25
Глава 2. Оценка экологической безопасности применения каталитических нейтрализаторов из условий их полного жизненного цикла 27
2.1. Предпосылки для оценки экологической безопасности автомобильных нейтрализаторов в течение полного жизненного цикла 27
2.2. Методология оценки жизненного цикла нейтрализатора 27
2.3. Методика инженерного расчета экологической безопасности нейтрализатора в процессе его полного жизненного цикла 35
2.4. Математическая модель и оценка с ее помощью динамики изменения экологического ущерба и эффекта от применения нейтрализаторов в процессе жизненного цикла 53
Глава 3. Объект и методы исследований
3.1. Каталитический нейтрализатор для автомобилей семейства ВАЗ 64
3.2. Объекты испытаний н используемое исследовательское оборудование 66
3.3. Методики исследований нейтрализаторов на эффективность, прочностные качества, надежность работы и ресурс 79
3.4. Анализ точности расчета экологического эффекта от применения автомобильного нейтрализатора с учетом его продукционного цикла 94
Глава 4. Исследования эффективных показателей нейтрализаторов, их надежности и ресурса 97
Глава 5. Некоторые вопросы технологии производства нейтрализаторов 109
5.1. Организация пооперационного и выходного контроля при производстве нейтрализаторов 109
5.2. О статистическом анализе разброса характеристик аэродинамического сопротивления нейтрализаторов 112
Выводы и рекомендации 122
Литература 124
- Нейтрализация вредных выбросов отработавших газов автотранспортных средств с бензиновыми двигателями
- Методика инженерного расчета экологической безопасности нейтрализатора в процессе его полного жизненного цикла
- Анализ точности расчета экологического эффекта от применения автомобильного нейтрализатора с учетом его продукционного цикла
- О статистическом анализе разброса характеристик аэродинамического сопротивления нейтрализаторов
Введение к работе
Проблема экологической безопасности автотранспорта требует от промышленности внедрения новых перспективных технологий, обеспечивающих автомобилю выполнение все более ужесточающихся нормативных требований по выбросу вредных веществ с отработавшими газами двигателей. Наряду с реализацией экологически чистых рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания важнейшим компонентом современной антитоксичной системы является каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя. К конструкции и выходным параметрам автомобильного нейтрализатора предъявляются жесткие, часто противоречивые, требования, связанные с параметрами его эффективности, надежности и ресурсом, согласованностью с работой всех других систем и узлов автомобиля и экологическим ущербом, как при его производстве, так и в процессе эксплуатации.
Все вышеперечисленное требует отработанной методологии оценки экологичности на всех стадиях жизнедеятельности автомобильного нейтрализатора, начиная с момента проектирования и кончая утилизацией после его физического износа в процессе эксплуатации. Несмотря на большое количество исследований по этой проблеме, для автомобильного нейтрализатора до сих пор не создана методология оценки его жизненного цикла на всех стадиях развития. Представляемая работа является первым шагом в этом направлении и имеет достаточную актуальность.
Выполненные в рамках представленной работы исследования проводились в соответствии с планами НИР и ОКР ОАО «АвтоВАЗагрегат» и ОАО «АвтоВАЗ».
Нейтрализация вредных выбросов отработавших газов автотранспортных средств с бензиновыми двигателями
Конструкция современного автомобиля формируется исходя из требований к его экологической чистоте, в частности, выбросу вредных веществ с отработавшими газами двигателя с учетом жестких нормативных требований по токсичности и компромисса по топливной экономичности и энергетическим показателям. Дальнейшее совершенствование традиционной конструкции двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением смеси не может обеспечить выполнение вводимых стандартами ЕЭК ООН новых жестких требований на выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Поэтому в конструкцию автомобиля вводятся комплексные антитоксичные системы, основной частью которых является система нейтрализации отработавших газов двигателя [17], Главным элементом системы нейтрализации отработавших газов двигателя является каталитический нейтрализатор с использованием в качестве катализатора драгоценных металлов платиновой группы: платина, палладий и родий [2].
Системы нейтрализации для автомобилей с двигателями с искровым зажиганием можно разделить на два типа: замкнутые и разомкнутые, и различные вариации этих типов в зависимости от поставленных производителем требований по токсичности, топливной экономичности и стоимости автомобиля. На рис. 1.1 приведены основные варианты систем каталитической нейтрализации отработавших газов двигателя.
Разомкнутые (окислительные) системы, как правило, включают нейтрализатор, который может эффективно работать только при наличии в отработавших газах избыточного кислорода. Избыток кислорода достигается путем перевода двигателя на работу на переобедненных составах топливо-воздушной смеси, например, путем расслоения заряда смеси в цилиндрах. Такая схема показана на рис. 1.1 А. Более широкое распространение получили системы, представленные на рисунках 1.1В и 1.1,С, в которых обеспечивается принудительная подача воздуха в выпускную систему до нейтрализатора с помощью клапанов-пульсаров, воздушных приводных нагнетателей, эжекторов или используется избыточный воздух из различных пневмосистем автомобиля.
Однако простые окислительные системы нейтрализации удовлетворяли производителей автомобилей только на начальном этапе введения нормирования вредных выбросов автомобиля, когда нормы, особенно на выброс оксидов азота, были еще недостаточно жесткими. Они мало эффективны по снижению оксидов азота, так как при наличии в отработавших газах избыточного кислорода восстановительные процессы прекращаются.
Для устранения отмеченного выше недостатка в разомкнутых системах иногда последовательно устанавливали два нейтрализатора: первый, восстановительного типа, для нейтрализации оксидов азота (NOx) при работе двигателя на обогащенных составах смеси и второй, окислительного типа, для нейтрализации оксида углерода (СО) и углеводородов (СН), на который подавался дополнительный воздух (рис 1ЛВ).
Для снижения выброса оксидов азота в схему окислительной системы нейтрализации включали также систему рециркуляции отработавших газов (рисЛ. 1С). Принципиальная схема одного из вариантов окислительной системы нейтрализации приведена на рис. 1.2.
Введение жестких нормативных требований Правилами 83 ЕЭК ООН (ЕВРО-1 и ЕВРО-2), особенно на выброс NOx, сделало невозможным использование рассмотренных систем нейтрализации из-за их недостаточной эффективности. Поэтому на смену окислительным разомкнутым системам пришли замкнутые бифункциональные (трехкомпонентные) системы нейтрализации отработавших газов [49]. Такая система приведена на рис. 1.3. Она управляется МП-блоком по сигналам датчика кислорода типа лямбда-зонд и имеет специальный нейтрализатор бифункционального действия.
Ужесточение нормирования и введение испытаний при отрицательной температуре -7 С потребовало дальнейшего совершенствования комплексных антитоксичных систем, одним из основных элементов которых являются системы нейтрализации отработавших газов [62, 63].
Испытания современных автомобилей по ездовому циклу Правил 83.04В показали, что до 80% выбросов вредных веществ приходится на период прогрева двигателя и нейтрализатора на первой фазе «городского ездового цикла». На рис.1.4 приведен баланс выбросов вредных веществ автомобилем на различных участках «ездового цикла» [4].
Методика инженерного расчета экологической безопасности нейтрализатора в процессе его полного жизненного цикла
Попробуем оценить затраты на этапах жизненного цикла нейтрализатора (см. рис. 2.1). Полученные данные будут в дальнейшем использованы для оценки экологичности и экономических показателей при разработке, производстве и эксплуатации новых конструкций нейтрализаторов или модернизации конструкции и технологии производства уже выпускаемых изделий. Для этого разработан метод расчета, который оценивает потенциальные воздействия на окружающую среду продукционной системы через прямые затраты энергии и непосредственные вредные выбросы, загрязняющие окружающую среду. Рассмотрим методику расчета на примере производимого на ОАО «АвтоВАЗагрегат» нейтрализатора модели 2110-1206010 через анализ каждого блока продукционной системы. Производство комплектующих. Так как основной задачей исследования является анализ в процессе жизненного цикла этапа производства нейтрализатора на заводе ОАО «АвтоВАЗагрегат», этапы производства комплектующих, утилизации и захоронения отходов рассматриваются в обобщенном, несколько упрощенном виде, принимая в дальнейшем показатели получаемые на этих этапах зависимыми только от количества и качества исходных материалов, используемых в конструкции нейтрализатора. Принимая эти допущения, энергозатраты (косвенно отражающие ущерб наносимый экосистеме) на этапе производства комплектующих можно оценить через стоимость каждого комплектующего, вводя в эту стоимость затраты на добычу и переработку сырья и непосредственно на их производство. Поэтому условно принимается, что воздействия продукционной системы на этом этапе жизненного цикла нейтрализатора косвенно определяются стоимостью комплекта каждого комплектующего для изготовления одной единицы окончательной продукции и при изменении используемых для них материалов или технологии производства учитываются изменением отпускной стоимости комплекта. Стоимость поставляемых на ОАО «АвтоВАЗагрегат» комплектующих для нейтрализатора 2110-1206010 принята, исходя из договорной цены с заводом-поставщиком. В нее включены все затраты поставщика. Для примера в таблице 2.2 приведен состав и стоимость комплектующих для производства указанной выше модели нейтрализатора (данные приведены на момент составления методики).
Таким образом, экологический ущерб на этапе производства комплектующих оценивается через стоимость комплекта поставляемых на ОАО «АвтоВАЗагрегат» элементов для изготовления одного нейтрализатора и рассчитывается, исходя из данных, приведенных в таблице, по следующей формуле:
Транспортировка. Исходя из блок-схемы на рис. 2.1, оценку ущерба на всех этапах транспортировки комплектующих на завод «АвтоВАЗагрегат» и изготовленных нейтрализаторов на ОАО «АвтоВАЗ» для сборки на автомобилях можно оценить по удельным затратам на километр пробега транспортного средства. Сюда входят затраты на израсходованные топливосмазочные материалы, услуги техобслуживания и ремонта, зарплата водителей и обслуживающего персонала и т.д.
Прямой ущерб от выброса вредных веществ автотранспортным двигателем рассчитывается исходя из учета следующих компонентов отработавших газов: оксид углерода СО, углеводороды (суммарно) СН и оксиды азота (суммарно NO и N02). Также учитывается косвенный ущерб через выбросы диоксида углерода С02 и тепловые потери двигателя, как факторов, влияющих на эффект глобального потепления климата. Вредные выбросы рассчитываются в граммах на километр пробега транспортного средства. Причем принято допущение, что перевозки осуществлялись автомобилями, полностью соответствующими техническим условиям завода-изготовителя и действующим Правилам 49 ЕЭК ООН по выбросу вредных веществ. Поэтому расчет вредных выбросов производится, исходя из принятых нормативных показателей Правил 49 ЕЭК ООН для этой категории транспортных средств. Расчет выброса СОг проводится по экспериментальным данным. При расчете тепловых потерь необратимые потери тепла для дизельного двигателя приняты равными 56 % от полной теплоты сгорания топлива. Другие, менее значимые вредные воздействия транспортного средства на окружающую среду во время эксплуатации, для упрощения расчета не учитывались.
Данные для расчета экологического ущерба при транспортировке элементов нейтрализатора приведены в таблице 2.3.
Анализ точности расчета экологического эффекта от применения автомобильного нейтрализатора с учетом его продукционного цикла
Суммарный экологический эффект от применения автомобильного нейтрализатора складывается из частных положительных и отрицательных воздействий каждого этапа (блока продукционной системы) жизненного цикла. Без учета вклада каждого из этих этапов - блоков в конечный экологический эффект невозможна объективная и точная оценка суммарного эффекта. Рассматривая приведенную на рис. 2.1 продукционную систему можно заметить, что, несмотря на детальную разбивку системы, каждый ее блок может быть разбит на еще более мелкие блоки. Очевидно, что чем более детально выделены все блоки - этапы жизненного цикла, тем более точными будут конечные результаты. Вместе с тем, оценка каждого блока содержат определенную ошибку. Увеличение количества этих блоков продукционной системы может увеличить суммарную ошибку [29].
Действительно, если жизненный цикл не разбивается на этапы (N = 1), то ошибка будет бесконечно большой. Фактически это означает, что оценка будет чисто субъективной, поскольку сделать какую либо объективную оценку в этом случае невозможно. При выделении в жизненном цикле отдельных элементов за счет их лучшей детализации повышается точность оценки каждого элемента. Чем больше выделено отдельных элементов, тем точнее оценка каждого из них. Оценку каждого элемента можно рассматривать как случайную величину Е; , имеющую среднее значение (математическое ожидание) М; и среднеквадратическую ошибку Сі. Суммарный эффект есть сумма этих величин: Если оценки Еь . . EN некоррелированы (т.е. независимы между собой), то среднеквадратическая ошибка величины Е определяется по формуле суммирования независимых случайных величин (дисперсия суммы равна сумме дисперсий): Для анализа этого выражения рассмотрим более простой случай: величины М; и а; равны между собой, т.е. когда вклад каждого элемента жизненного цикла одинаков и точность его оценки одна и та же: Из этого выражения видно, что ошибка в определении суммарного эффекта будет возрастать с увеличением количества элементов разбиения, поскольку , чем больше количество случайных величин суммируется, тем больше дисперсия суммы. Но это увеличение происходит медленнее, чем увеличение количества элементов (зависимость V N), то есть при больших N приращение ошибки становится все меньше и меньше. В действительности, как отмечено выше, при более детальном разбиении этапов-блоков жизненного цикла точность их оценки повышается: Можно предположить, что ошибка в оценке каждого блока обратно пропорциональна количеству блоков, на которые разбивается продукционная система: где а - ошибка в оценке суммарного эффекта; N - количество этапов-блоков жизненного цикла; С - константа, определяющая точность измерений. Отсюда Это означает, что точность оценки суммарного эффекта повышается при увеличении количества блоков разбиения жизненного цикла. Однако при очень больших N уменьшение ошибки незначительно. Например, при увеличении N с 3 до 10 (то есть на 7 этапов) ошибка уменьшается в 1,83 раза, а при увеличении N с 10 до 30 (то есть на 20 этапов) ошибка уменьшается только в 1,73 раза. Очевидно, что разбиение жизненного цикла более чем на 10 этапов является не рациональной.
Основные оценочные показатели каталитических автомобильных нейтрализаторов для автотранспортных средств массой менее 3,5 т определены Правилами 83 и 103 ЕЭК ООН и техническими условиями завода-изготовителя. В процессе разработки нейтрализаторов был проведен большой комплекс испытаний: лабораторных - для определения соответствия составных элементов нейтрализатора и применяемых для их изготовления материалов требованиям технических условий; ускоренных моторных - для определения соответствия опытных образцов нейтрализаторов требованиям по эффективности преобразования вредных компонентов отработавших газов двигателя, параметров надежности и долговечности; в составе автомобиля на беговых барабанах - для определения эффективности опытных образцов нейтрализаторов по снижению вредных выбросов с отработавшими газами двигателя при испытаниях по ездовым циклам Правил 83,03 ЕЭК ООН и стандарта США FTP-94; в составе автомобиля в дорожных условиях - для определения надежности работы и ресурса нейтрализатора в условиях рядовой эксплуатации.
При разработке конструкции и постановке на производство на ОАО «АвтоВАЗагрегат» нейтрализатора для автомобилей ОАО «АвтоВАЗ» были проведены испытания образцов из первой промышленной партии. В процессе лабораторных испытаний определялись физико-химические показатели материалов: химический состав, прочностные параметры, устойчивость к термоперегрузкам, активность катализатора) герметичность корпуса нейтрализатора и его газодинамическое сопротивление, устойчивость к атмосферной коррозии.
О статистическом анализе разброса характеристик аэродинамического сопротивления нейтрализаторов
Решая уравнение относительно %2, находят его значения, которые в рассматриваемом случае существенно меньше критического значения %% при числе степеней свободы к = 4 и доверительной вероятности 0,95. Поэтому с вероятностью Р - 0,95 можно считать, что величина измерений в этой серии измерений не противоречит нормальному закону распределения. Аналогично проведена проверка соответствия остальных серий измерений при других расходах воздуха и установлено, что все они подчиняются нормальному закону распределения.
Чтобы построить теоретическую кривую истинных значений аэродинамического сопротивления нейтрализаторов, необходимо знать их истинное значение на всех режимах измерений. Однако истинное значение неизвестно. Поэтому, доказав, что разброс измерений не противоречит нормальному закону распределения, следует определить, насколько может истинное значение измеряемой величины "а" отличаться от среднеарифметического значения .
Надежность такой оценки сильно зависит от числа измерений. В итоге нам необходимо знать теоретическую кривую аэродинамического сопротивления нейтрализатора по проведенным сериям реальных измерений. Это мы можем сделать, применив метод наименьших квадратов. Принимая, что искомая функция линейна, измерения проведены с одинаковой точностью и ошибки измерений подчиняются закону нормального распределения вероятностей, можно записать: у = і (и, а,Ъ ,с)
Следует учитывать, что когда мы производим измерения аэродинамического сопротивления нейтрализаторов при заданном режиме, то, кроме разброса измерений, мы имеем разброс аргумента, то есть заданного значения расхода газа. Так как для каждого аргумента производится серия измерений (в рассматриваемом случае из 50 измерений), и, допуская, что разброс расхода газа на каждом режиме также подчиняется закону нормального распределения, в качестве исходных точек возьмем среднеарифметические значения измерений х на каждом режиме или задаваемое расчетное значение и . Тогда весами измерений служат значения количеств измерений в сериях.
На основании описанной выше математической модели оценка стабильности показателя аэродинамического сопротивления нейтрализаторов в производстве для ускорения расчета проводится машинным способом на ЭВМ.Таким образом, разработанная методика статистического анализа технологических отклонений нормируемых характеристик аэродинамического сопротивления нейтрализаторов в процессе выходного контроля позволяет поддерживать качество продукции в пределах заданного технологией производства поля допусков. При появлении недопустимо большого количества таких отклонений методика позволяет быстро вмешаться в производственный процесс, находить и исправлять источники их появления. 1. Впервые разработана конструкция отечественного нейтрализатора для автомобилей ОАО «АвтоВАЗ», обеспечивающая выполнение действующих нормативных требований по токсичности и ресурс работы до 80 000 км в соответствии с требованиями Правил 83.03 ЕЭК ООН. 2. Разработанная конструкция, технология производства и методики испытаний позволили впервые в отечественной практике начать массовое производство каталитических нейтрализаторов для всех моделей автомобилей ВАЗ и заложить основы типоразмерного ряда нейтрализаторов для всех выпускаемых нашей автомобильной промышленностью моделей автомобилей массой до 3,5 т. 3. Разработанная стратегия создания и производства на ОАО «АвтоВАЗагрегат» каталитических нейтрализаторов используется автомобильными заводам ВАЗ, УАЗ, и ИжМАШ при разработке новых моделей автомобилей и создания для них комплексных антитоксичных систем, позволяющих выполнить перспективные нормативные требования ЕВРО-2 и ЕВРО-3. 4. Проведенные исследования позволили решить ряд научных задач по методологии оценки жизненного цикла автомобильного нейтрализатора, для чего были разработаны: методика и программа расчета экологического ущерба и эффекта на этапах жизненного цикла нейтрализатора, позволяющие оценить и минимизировать экологический ущерб от нейтрализаторов на всех этапах продукционного цикла; математическая модель для оценки динамики изменения экологического ущерба и эффекта от применения нейтрализаторов отработавших газов автомобилей в процессе их жизненного цикла; методика аналитического анализа точности расчета экологического эффекта от применения автомобильного нейтрализатора; математическая модель и программа расчета стабильности производственного процесса нейтрализатора с использованием методов математической статистики. 5. Разработан комплекс методик ускоренных моторных испытаний на эффективность, надежность и ресурс, позволивший успешно доработать конструкцию, освоить промышленное производство нейтрализаторов для автомобилей ОАО «АвтоВАЗ» и оперативно проводить периодический контроль с целью поддержания параметров выпускаемой продукции на уровне требований международных стандартов. 6. В процессе освоения производства разработаны методики и стенд для контрольных технологических испытаний нейтрализаторов. 7. Основные результаты работы были доложены на международных и отечественных конгрессах и конференциях, в том числе на юбилейном международном конгрессе Федерации автомобильных инженеров (FISITA-98) в Париже, конференции автомобильных инженеров ААИ РФ, конференции Российской экологической академии и международных научно-технических конференциях МГТУ-МАМИ и ГТУ-МАДИ. 8. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ в отечественных научных журналах и в сборнике докладов международного конгресса FISITA-98.
