CC BY
78
удк 629.424.1
Е. И. Сковородников , А. С. Анисимов, В. А. Минаков, И. В. Чернышков
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Дата поступления: 22.11.2018 Решение о публикации: 21.01.2019
Аннотация
Цель: Выполнить анализ методов расчета количества продуктов сгорания в отработавших газах дизельных двигателей тепловозов при условии совершенного сгорания, неполного сгорания, данных эксперимента и равновесного состава, при этом принимались во внимание тип двигателя внутреннего сгорания, условия протекания и параметры цикла. Применить такие методы контроля экологических характеристик дизелей тепловозов, которые обладали бы высокой надежностью и точностью расчета, были бы наименее дешевыми и трудоемкими. Методы: При расчете состава продуктов сгорания учитывались состав топлива и изменение термодинамических параметров рабочего тепла в процессе выгорания топлива в цилиндре двигателя. В основу математической модели равновесных концентраций положены уравнения материального баланса и Дальтона. Расчет ведется с определением констант равновесия реакций диссоциаций газов при сгорании топлива. Процесс сгорания топлива рассчитывается на основе уравнений И. И. Вибе или Б. П. Пугачева, учитывающих одно- или двухфазное выделение теплоты. Опытные данные по составу продуктов сгорания сравнивались с полученными в результате аналитической оценки на основе законов выгорания топлива в цилиндре тепловозного двигателя внутреннего сгорания и равновесных концентраций отработавших газов дизелей тепловозов. Результаты: Получены экспериментальные данные по выбросам вредных веществ в отработавших газах, позволившие оценить достоверность расчета равновесных концентраций продуктов сгорания топлива при использовании метода равновесного состава. Они могут представлять минимальные нормативные значения для тепловозных дизелей с идеальными техническим состоянием и организацией рабочего цикла дизеля тепловоза. Практическая значимость: Реализация предложенного метода позволит выбрать режимы работы дизелей тепловозов, при которых будет наблюдаться их наименьшее воздействие на окружающую среду, повысить качество оценки экологических параметров тепловозов во всем диапазоне нагрузочных режимов дизель-генераторов локомотивов.
Ключевые слова: Дизельный двигатель, продукты сгорания, равновесный состав, закон сгорания, воздействие на окружающую среду.
Evgeniy I. Skovorodnikovi , D. Eng. Sci., professor;* Alexandr S. Anisimov, Cand. Eng. Sci., associate professor, [email protected]; Vitaliy A. Minakov, senior teacher, [email protected]; Igor V. Chernyshkov, postgraduate student, [email protected] (Omsk State Transport University) EVALUATION OF ECOLOGICAL SAFETY OF DIESEL LOCOMOTIVE ENGINES. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-1-118-129
Summary
Objective: Conduct an analysis of the methods for calculation of the amount of combustion products in exhaust gas of diesel locomotive engines under the conditions of perfect combustion, incomplete combustion, experimental data and equilibrium composition, with account taken for the type of internal combustion engine, behaviour conditions and cycle parameters. Apply methods of control over
environmental characteristics of diesel locomotive engines possessing high degree of reliability and accuracy of calculation, and was as cheap and labour-intensive as possible. Methods: Composition of fuel and changes in the thermodynamic parameters of operational heat during the process of fuel burn in the engine cylinder were accounted for during the calculation of composition of combustion products. The mathematical model of equilibrium concentrations is based on the material balance equation and the Dalton equation. The calculation process included constant determination for equilibrium for gas dissociation reactions during fuel burn. The process of fuel burn is calculated on the basis of equations by I. I. Vibe and B. P. Pugachev which account for single- and double-phase heat release. Experimental data on the composition of combustion product were compared to the data obtained as a result of analytical estimation on the basis of laws of fuel burn in the cylinder of a diesel locomotive internal combustion engine and equilibrium concentrations of exhaust gases of diesel locomotive engines. Results: Experimental data on emissions of hazardous substances in exhaust gases were obtained, which permitted to evaluate the veracity of calculation of equilibrium concentrations of products of combustion when using the equilibrium composition method. They may represent minimum regulation values for locomotive diesels in perfect technical condition and organization of diesel locomotive's work cycle. Practical importance: Implementation of the proposed method will permit selecting locomotive diesels' operating regimes that will make the least possible environmental impact, and increase the quality of evaluation of diesel locomotives' environmental parameters across the range of loading regimes of locomotives' diesel generators.
Keywords: Diesel engine, combustion products, equilibrium composition, combustion law, environmental impact.
Введение
Образование продуктов сгорания топлива в цилиндре поршневых двигателей внутреннего сгорания происходит за счет химических реакций окисления составляющих топлива кислородом воздуха, а также в результате соединения кислорода и азота воздуха с химическими элементами топлива и продуктами сгорания. Такие реакции протекают в цилиндре дизеля в течение процесса «сгорание-расширение». К токсичным элементам (вредным веществам) в продуктах сгорания дизельного топлива можно отнести озон 03, сажу С, оксид углерода СО, оксиды азота N0, N0^ аммиак КИ2, диоксид серы 802, сероводород Н28, сероуглерод С82, метин СН, метил СН3, формальдегид Н2С0 и 3,4-бенз(а)пирен С20Н12. Средний состав отработавших газов дизелей различного назначения представлен в табл. 1 [1, 2].
Анализ данных, приведенных в табл. 1, дает возможность предположить, что:
- использованы результаты многих известных теоретических и экспериментальных методов, позволивших определить в составе про-
дуктов сгорания девять химических элементов. Утверждение некоторых авторов о том, что в составе отработавших газов дизельных двигателей могут находиться около 200 или 300 элементов, не поддается проверке;
- испытаниям были подвергнуты дизельные двигатели различного конструктивного исполнения и назначения, что, возможно, определило значительный разброс (в некоторых случаях более чем в 100 раз) в результатах контроля, однако основные положения теории двигателей не позволяют дать достаточно объективного объяснения такого существенного расхождения в количестве одноименных продуктов сгорания;
- в продуктах сгорания топлива дизельных двигателей преобладают элементы (более 77 %), характеризующие процесс полного сгорания топлива, что не исключает необходимости либо экспериментальной, либо теоретической оценки количества вредных выбросов в продуктах сгорания;
- работа локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» в рамках Парижского соглашения, несомненно, потребует постоянного эксплуа-
ТАБЛИЦА 1. Состав отработавших газов дизельных двигателей
Компонент отработавших газов дизеля Концентрация компонентов в отработавших газах
% г/(кВт-ч)
Азот N2 74,0-78,0 -
Кислород 02 2,0-18,0 -
Водяной пар Н20 0,5-9,0 -
Двуокись углерода СО2 1,0-12,0 -
Оксид углерода С0 0,005-0,400 1,50-12,00
Оксид азота N0 Диоксид азота N02 0,004-0,500 0,00013-0,0130 6,00-18,00 0,50-2,00
Сажа С - 0,25-2,00
3,4-Бенз (а)пирен С20Н12 - (1,0-2,0)10-6
тационного мониторинга в области определения и прогнозирования количества не только вредных выбросов, но и парниковых газов в отработавших газах дизельных двигателей с учетом фактических и перспективных объемов перевозок.
Постановка задачи
В настоящее время контроль экологического воздействия автономных локомотивов (далее, тепловозов) на окружающую среду проводится при нагрузочных реостатных испытаниях локомотивов, когда с помощью специальной измерительной техники определяются состав и удельное количество вредных веществ в отработавших газах дизель-генераторной установки тепловоза при различных режимах ее нагружения.
Масса выбросов /-го продукта сгорания топлива (кг) при работе дизеля тепловоза за некоторый промежуток времени рассчитывается по уравнению
Рк к=0
где Рк - количество позиций контроллера машиниста тепловоза; gjk - удельный выброс /-го продукта сгорания топлива при работе дизеля
тепловоза на к-й позиции контроллера машиниста, кг/ч; tk - время работы тепловоза на позиции, ч.
Значения нормативных СО (н), удельных СО (у) и предельно-допустимых выбросов оксида углерода СО (пр) и азота N0 (н), N0 (у), N0 (пр) для выбранного режима испытаний для маневровых локомотивов, рассчитанные с учетом эффективной мощности и удельного расхода топлива дизелем для заданных позиций контроллера машиниста (КМ) тепловоза, приведены в табл. 2. Как из нее следует, предельные значения количества вредных выбросов в отработавших газах тепловозов соответствуют представленным в технической документации пунктов экологического контроля. Анализируя данные табл. 2, видно, что в некоторых случаях удельное количество выбросов отдельных элементов превышает их нормативное значение, что практически невозможно для серийных двигателей. Несомненно, что такое несоответствие возможно по причине влияния на экологические характеристики тепловозных дизелей значительного числа случайных факторов, например условий окружающей среды, экономических характеристик дизеля для различных режимов работы, качества протекания и идентичности рабочего цикла по цилиндрам двигателя, учесть которые при проведении испытаний нельзя.
ТАБЛИЦА 2. Нормативные, удельные и предельно-допустимые значения вредных выбросов в отработавших газах тепловозов
Позиция контроллера машиниста Серия тепловоза Количество оксида углерода, кг/ч Количество оксидов азота, кг/ч
СО(н) СО(У) СО(пР) NO(H) NO(y) NO(np)
0 ТЭМ18 0,074 0,712 0,113 0,181 0,301 0,712
ЧМЭ3 0,185 0,609 1,782 0,767 3,998 0,183
3 ТЭМ18 0,925 0,029 0,772 7,611 4,479 6,892
ЧМЭ3 2,549 0,539 1,934 10,886 9,322 6,363
5 ТЭМ18 2,407 3,278 2,772 15,402 14,380 26,807
ЧМЭ3 4,697 1,948 2,955 18,834 11,280 15,268
7 ТЭМ18 4,619 9,491 9,951 25,465 29,974 33,871
ЧМЭ3 7,303 4,521 6,289 27,795 11,967 28,001
8 ТЭМ18 5,999 13,709 18,855 31,347 39,906 33,871
ЧМЭ3 8,778 6,244 9,470 32,561 11,833 35,803
Анализ экспериментальных методов, применяемых в настоящее время для оценки количества вредных веществ в продуктах сгорания углеводородного топлива дизелей тепловозов, выявил, что на сети железных дорог ОАО «Российские железные дороги» отсутствуют методы, способные учесть представленные выше факторы, а также обладающие низкими капитальными и эксплуатационными затратами. Наиболее надежными, точными, дешевыми и наименее трудоемкими следует считать аналитические методы расчета состава продуктов сгорания топлива дизелей тепловозов. Такие методы должны базироваться на химических реакциях окисления топлива кислородом воздуха, поступающего в цилиндр двигателя, и протекающих при высоких переменных во времени объеме, давлениях и температуре.
Теория
На образование количества горючей смеси М (кмоль/кг) оказывают влияние теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива Ь0 и коэффициент избытка воздуха а:
М = аЬ0 =
= а(0,397С + 1,19Н + 0,149(8 - О)),
где С, Н, 8, О - доли углерода, водорода, серы и кислорода в составе топлива.
В состав продуктов полного сгорания топлива при заданном коэффициенте избытка воздуха для 1-й позиции КМ входят двуокись углерода СО2, водяной пар Н2О, диоксид серы 8О2, избыточный кислород О2 и азот К2, поступившие с воздухом (кг/ч) [3-5]:
МСо = 0,083CNeibeimt
eiuei" lCO2
(1)
МН2О = 0,5Н^Атн2О, (2)
Мо2 = 0,21(а -1)^0 #Ат>2, (3)
М8О2 = 0,03128^Ат8О2, (4)
Мщ = 0,79а^0 Ке1Ье (5)
здесь Ые. - эффективная мощность дизеля на 1-й позиции КМ, кВт; Ь . - удельный эффективный расход топлива дизелем на /-й позиции КМ, кг/(кВт-ч); ^СО2, ^н2О, т>2, тО2,
т-ы - молярные массы двуокиси углерода, водяного пара, избыточного кислорода, диоксида серы и азота соответственно, кг/кмоль.
Выражения (1)-(5) не характеризуют влияние на процесс выгорания топлива таких параметров как продолжительность сгорания, коэффициент избытка воздуха, давление и температуры рабочего тела от времени или угла поворота коленчатого вала дизеля. Предполагается, что процесс сгорания топлива происходит мгновенно, а коэффициент избытка воздуха, давление и температура рабочего тела в цилиндре постоянные и достаточные, чтобы обеспечить полное сгорание топлива. Для ориентировочной оценки работы дизельных двигателей тепловозов и определения максимально возможного количества парниковых газов (двуокись углерода, водяной пар) в продуктах сгорания расчеты, выполненные по формулам (1)-(5), могут быть весьма полезны.
О полноте сгорания топлива в дизеле, т. е. о качестве протекания рабочего цикла, можно судить по результатам сравнения, полученным по (1)-(5), количества продуктов сгорания при определенных значениях Ые. и Ье. с замеренной (каким-либо способом) массой продуктов полного сгорания топлива. Из-за локального недостатка кислорода в зоне горения топлива вследствие несовершенства смесеобразования, скоротечности процесса сгорания при повышении частоты вращения коленчатого вала дизеля, переходных процессов даже при идеальной организации рабочего цикла в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания достичь полного сгорания топлива практически невозможно.
В самом общем случае предполагается, что продукты неполного сгорания состоят из углекислого газа СО2, оксида углерода СО, водяного пара Н2 О, водорода Н2, азота N и его оксидов, кислорода О2, небольшого количества метана СН4 и следов других углеводородов [3-5]. Расчет количества продуктов неполного сгорания топлива ведут по пяти компонентам - СО2, СО, Н2 О, Н2 и N Содержанием кислорода, метана и других углеводородов пренебрегают. При общем недостатке воздуха
в цилиндре двигателя, т. е. при коэффициенте избытка воздуха меньше единицы (а < 1), для расчета продуктов неполного сгорания используются уравнения
МШ2 + Мс0 = 0,083С,
Мн20 + Мн2 = 0,5Н ,
МС02 + 0,5МС0 + 0,5МН20 =
= 0,21аХ0 + 0,03120, М. = 0,79а^0,
mh2 = mco х
-12,01
' HЛ 2
V C 7
+ 7,22
гнл
V C 7
- 0,436
Сотрудниками кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения для оценки экологических характеристик тепловозных дизелей предложена методика расчета на основе метода равновесного состава [6-9], преимущества которой состоят в следующем:
1) учитывается элементарный химический состав топлива;
2) состав и количество элементов в продуктах сгорания определяются с учетом изменения давления, температуры и других термодинамических параметров рабочего тела и прочих параметров работы дизеля в процессе выгорания топлива;
3) состав и количество продуктов сгорания топлива находятся для заданной полноты сгорания топлива в цилиндре двигателя.
Согласно [6, 10], в составе отработавших газов при сгорании дизельного топлива может содержаться до 36 элементов. Для определения количества этих элементов используются уравнения материального баланса
= ^ ¿С = 0,3746БС-1, (6)
Y P = SC SH1 = 0,0839CH-1, (7)
-1
v-1
а p — aSc So- —
2 + -
2Ур у
вР = SO Б- = 1,1082-(0,21 + О) и закон Дальтона
n
pj — IPj< •
i—1
В (6)—(10) БО, БС, Бн, - количество атомов
(8) кислорода, азота, углерода, водорода и серы в продуктах сгорания соответственно, п - количество элементов в продуктах сгорания топли-
(9) ва, Р.. - парциальное давление /-го продукта сгорания для .-й фазы сгорания, Па.
Для каждой .-й фазы сгорания и каждого /-го продукта сгорания массу соответствующих элементов можно выразить через их парциаль-(10) ные давления. Тогда уравнения равновесия (6)-(9) будут иметь вид
a (PCO2 + PCO + PC + 2PC2 + PCH4 + PCOS + PCN + PCH + Pc +PCH3 + PHCO + PH2CO + 2PC2H + 2PC2H2 + PHCN + PCS2 )
= a, (2Po2 + Po + 3p03 + Poh + Ph2o + + 2Pco2 + PC0 + Pno + 2 Pno2 + PC0S + PHC0 + PH2C0 + +Pso + 2Pso2 + 3Pso3 + Ps2o ),
ßp (Pn + 2PN2 + PN0 + pN02 + PCN + pNH3 + PHCN + pNS ) = 2Po2 + Po + 3P03 + Poh + Ph 20 + 2PC02 + PC0 + ^N0 + 2 pN02 + + ^Cos + PHC0 + pJ2C0 + ^SO + 2PS02 + 3PS03 + PS20 ,
Yp (Ph + 2Ph2 + Poh + 2Ph2o + 4Pch4 + P^ + 2Pch2 + 3P^ +
+PHC0 + 2 ^HoCO + PC2H + 2PC2H2 + 3PNH3 + PHCN + PHS + 2PH2S ) = PC + 2PC2 + PC0 + PC02 + pCH4 + PC0S + PCN + ^H + PCH2 +
+ PCH3 + ^CO + PH2C0 + 2Pc + 2Pc
,H, + ^HCN + PCS2 ,
Sp (pc + 2pc2 + PC0 + PC02 + PCH4 + pC0S3 + PCN + PCH + PCH2 + +PCH3 + ^HCO + PH2CO + 2PC2H + 2PC2H2 + ^HCN + pcs2 ) PC0S +
+Ps + 2 Ps, + Pso + Pso, + Ps03 + 2 Ps
20 + ^S + PH2S + pNS + 2PCS2 •
(11)
(12)
(13)
(14)
Связь между средним давлением рабочего тела в цилиндре двигателя в .-й момент сгорания и парциальным давлением отдельных компонентов смеси выражается уравнением Дальтона
p — P
rj г0
CO
-Я + Я + Я + P + я
CH
C02
CH2
CH4
N0
N02
OH
СО8
H20
- CN
CH3
HCO
p +p
1 H2C0 +1 C2H
(15)
c2 h2
+p
HCN
s0
s02
s03
S20
Hs
H2S
NH3
Ns
- cs2
Парциальные давления продуктов сгорания находятся в результате решения системы уравнений (11)-(15). Для этого предварительно рассчитывают константы равновесия реакций диссоциации газов при сгорании топлива, представляющие собой отношение парциальных давлений отдельных элементов смеси, например для диоксида углерода
K = P P2 P_1
Просуммировав количество продуктов сгорания по углу поворота коленчатого вала от начала до окончания сгорания топлива, можно
определить массу 1-го продукта сгорания
}=фг
т = X т.
7=0
и общую массу газов за рабочий цикл двигателя
Константы равновесия реакций диссоциации газов определяются для заданной температуры сгорания по выражению [10]
log K = K0 + K' ln X + K-2 X "2 + +K-1X+ K1X + K2 X2 + +K3 X3 + K4 X4 + K5 X5 + K6 X6 + K7 X7,
где X = T / 10 000 - температура рабочего тела в цилиндре двигателя в j-й момент процесса сгорания топлива, К.
Для решения системы (11)-(15) может быть использован метод, описанный в работе [11]: обе части каждого уравнения логарифмируются и раскладываются в ряд Тейлора, полагая неизвестными логарифмы парциальных давлений смеси. При этом члены разложения второго и большего порядков не учитываются. В результате расчет сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений относительно логарифмов неизвестных парциальных давлений.
Количество каждого продукта сгорания топлива (кг) для любого произвольного момента процесса сгорания вычисляется c использованием уравнения состояния идеальных газов
ти =-
Ji 8314T,
M = Ë mt
j
i=1
где ф2 - продолжительность сгорания топлива.
Изменение объема, давления, температуры рабочего тела, доли сгоревшего топлива и коэффициента избытка воздуха в цилиндре двигателя для изучаемого интервала времени -]х происходит вследствие выделения тепла при сгорании топлива, теплообмена рабочего тела со стенками цилиндра, изменения состава рабочего тела и т. д.
Для расчета параметров процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя используются различные законы сгорания, например закон сгорания Вибе [7-9, 12]
-6,908
x; = 1 - е
в котором х7 - доля топлива, сгоревшего к моменту времени ,; ф - продолжительность сгорания; т - показатель характера сгорания, или уравнения двухфазного тепловыделения Б. П. Пугачева [3]
dx
= -2- фе
d ф ф2
ф Ф
-2 X2
+ "Г фе ф2
2ф2 + X2 ф„ 2ф2
здесь ц. - молярная масса продукта сгорания, кг/кмоль; V , Т - объем, м3, и температура рабочего тела, К, в любой произвольный момент процесса сгорания соответственно.
где х1 - доля тепла, выделившегося в первой фазе; х2 - доля тепла, выделившегося во второй фазе; ф1 - продолжительность от начала сгорания до момента максимальной скорости тепловыделения в первой фазе, с; ф2 - продолжительность от начала сгорания до момента
максимальной скорости тепловыделения во второй фазе, с.
Процесс сгорания разбивается на интервалы времени (интервалы угла поворота коленчатого вала), а термодинамические параметры - давление и температура газов в конце каждого интервала - определяются по известным значениям давления и температуры в начале интервала при изменении объема цилиндра от V. до V.+1. Для момента начала сгорания удельный объем рабочего тела рассчитывается с учетом угла опережения подачи и периода задержки воспламенения топлива.
Применив метод равновесного состава и параметры процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя, было установлено количество продуктов сгорания топлива для дизеля 6ЧН31,6/33 для номинального режима работы. В табл. 3 не включены продукты сгорания, количество которых в отработавших газах не превышает 10-20 кг/ч: это метан, сероокись азота, метин, метилен, этинил и другие элементы.
Таким образом, использование математической модели, оценивающей изменение параметров выгорания топлива в цилиндре двигателя, и метода расчета продуктов сгорания топлива по условиям равновесия позволит отказаться от газоанализаторов, обеспечить
оперативность экологического контроля, оценить техническое состояние транспортных двигателей и качество протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя.
Результаты экспериментов
Одной из важнейших проблем при разработке метода аналитического контроля экологической безопасности транспортных двигателей является проблема оценки достоверности результатов расчета, т. е. оценки адекватности предложенной математической модели.
Несомненно, что наиболее объективные сравнительные характеристики могут быть получены при проведении эксплуатационных испытаний и теоретических расчетов для абсолютно идентичных условий. Однако сейчас такие испытания провести невозможно по причине ограниченности методов контроля вредных выбросов. Очевидно, что одним из наиболее объективных методов оценки достоверности методики расчета количества продуктов сгорания по условиям равновесного состава является наличие фактических, абсолютно достоверных, значений выбросов (хотя бы для некоторых элементов) для известных удельных расходов топлива, мощ-
ТАБЛИЦА 3. Количество продуктов сгорания топлива в дизеле
Наименование продуктов сгорания Количество продуктов сгорания, кг/ч Наименование продуктов сгорания Количество продуктов сгорания, кг/ч
Кислород О2 8,9095 102 Оксид азота NО 5,5976-100
Озон О3 1,2247-10-5 Диоксид азота NO2 0,3789-100
Водород Н2 2,1444-10° Циан CN 2,2123-10-18
Гидроксил ОН 5,6553-10-2 Формил НСО 1,3984-10-11
Вода Н2 О 9,6511-10 1 Формальдегид Н2 СО 4,6094-10-15
Диоксид углерода СО2 2,4588-102 Аммиак NH3 1,2539-10-10
Оксид углерода СО 6,6939-Ю-4 Синильная кислота HCN 1,2330-10-16
Одноатомный углерод С 0,1750-10° Двухатомная сера 1,4528-100
Двухатомный азот N 4,7558-103 Оксид серы БО 1,3344-10-15
Одноатомный азот N 1,0542-10-10 Диоксид серы БО2 1,7553-10-9
ности дизеля и параметров окружающей среды при испытании тепловозов. Как показали теоретические исследования, таких данных в технической литературе в настоящее время нет.
В связи с этим достоверность результатов расчета оценивалась по следующим этапам.
Сначала сравниваются количества водяных паров Н2О, молекулярного кислорода О2, диоксида углерода СО2 и азота К2, рассчитанные по условию полного сгорания топлива в цилиндре двигателя и по условию равновесия. Суммарная концентрация водяных паров Н2О, диоксида углерода СО2, кислорода О2 и азота N в отработавших газах, полученная по условиям равновесия, составляет около 98 % от их общего количества для номинального режима работы дизеля 6ЧН31,6/33 (табл. 4).
Количества N и О2, рассчитанные по условиям равновесия, находятся в пределах минимальных и максимальных статистических значений, водяных паров Н2О и диоксида углерода СО2 в продуктах сгорания - незначительно превышают минимально возможные, определенные экспериментальными методами (см. табл. 1).
Анализируя вредные выбросы, представленные в табл. 5, можно увидеть, что количества углерода (сажи) С, оксида азота КО и диоксида азота КО2 в продуктах сгорания топлива дизельных двигателей, полученные методом равновесного состава, хорошо согласуются с минимальными экспериментальными значениями [8]. Максимальная ошибка на режиме номинальной мощности составляет 5-6 %.
ТАБЛИЦА 4. Сравнительная характеристика методов контроля экологических характеристик
дизельных двигателей
Наименование продукта сгорания Рассчитанное значение, 0%
Полное сгорание Равновесный состав
Углекислый газ СО2 7,41 3,83
Водяной пар Н2 О 2,94 1,50
Кислород О2 14,73 14,80
Азот N 74,89 77,21
Наименование продукта сгорания Данные эксперимента, кг/ч Расчетное значение по методу равновесного состава, кг/ч
Углерод (сажа) С C . min 0,221 0,205
C max 1,766
Оксид азота КО NO . m.n 5,298 5,598
NO max 15,895
Двуокись азота КО2 NO2 . 2 min 0,442 0,379
no2 2 max 1,766
Оксид углерода СО CO . m.n 0,308 0,0007
CO max 24,640
ТАБЛИЦА 5. Сравнительная характеристика методов контроля вредных выбросов
дизельных двигателей
Обсуждение результатов
Образование оксида углерода в отработавших газах дизелей возможно при глобальном или локальном недостатке кислорода в камере сгорания, т. е. снижении коэффициента избытка воздуха ниже нормативных значений, и в первую очередь по причине уменьшения величины свежего заряда цилиндра из-за низкой эффективности работы агрегатов наддува (дизели с наддувом) и воздухоохладителей или увеличения гидравлического сопротивления системы впуска (дизели с наддувом и без него).
Количество окиси углерода СО, рассчитанное по условиям равновесия, значительно меньше, чем приведены для данных эксперимента (табл. 5). Как уже выше отмечалось, появление оксида углерода в отработавших газах транспортных двигателей (особенно в больших количествах) может происходить только при работе в переходных режимах, поэтому для установившегося режима такое удельное количество СО как 0,00067 кг/ч, найденное методом равновесного состава, следует считать вполне объективным и достоверным.
С одной стороны, результаты расчета количества продуктов сгорания, полученные при использовании метода равновесного состава, несколько идеализированы и могут представлять минимальные нормативные значения для тепловозных дизелей с идеальными техническим состоянием и организацией рабочего цикла. С другой стороны, анализ периодической литературы, отражающей проблемы экологии транспортных двигателей, показывает, что в ряде европейских стран, например в Германии, оксид углерода в отработавших газах дизельных двигателей не подвергается контролю из-за незначительного его количества и постоянного окисления в диоксид углерода в процессах расширения и выпуска.
Заключение
В результате анализа теоретических и статистических исследований, приведенных в
настоящей работе и технической литературе, посвященной проблеме экологического воздействия тепловозных и других типов двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду, можно сделать следующие выводы:
1) оценка экологической безопасности транспортных двигателей и разработка мероприятий, позволяющих снизить уровень вредных выбросов, отрицательно воздействующих на человека и окружающую среду, есть проблема государственная и не менее актуальная, чем экономия топливно-энергетических ресурсов на транспорте;
2) в настоящее время в системе ОАО «РЖД» нет достаточно эффективных сравнительно недорогих экспериментальных и аналитических средств и методов оценки стационарных и эксплуатационных экологических характеристик серийных тепловозов, базирующихся на основных технико-экономических параметрах дизель-генераторных установок;
3) результаты экологического контроля тепловозного парка, проведенного в некоторых локомотивных депо, имеют низкую достоверность и не учитываются в системе планово-предупредительных ремонтов и в региональных экологических комитетах при разработке природоохранных мероприятий;
4) для более эффективного использования в локомотивных депо экологического контроля требуется разработка определенного программного обеспечения, позволяющего по результатам контроля выполнять полную статистическую обработку информации;
5) на основании проведенных теоретических расчетов и статистических исследований можно рекомендовать для оценки экологических характеристик тепловозных дизелей применять метод равновесного состава;
6) исходными данными для реализации метода равновесного состава должны являться результаты как полномасштабных реостатных испытаний на контролируемых позициях КМ, так и математического моделирования параметров рабочего цикла двигателя, выполненного с учетом установленного угла опережения по-
дачи топлива и выбранного закона выгорания топлива;
7) использование метода равновесного состава, исходных данных для его реализации и его алгоритмическое и программное обеспечение позволят:
• уменьшить эксплуатационные расходы и повысить качество оценки экологических параметров тепловозов;
• сформировать и периодически корректировать базу данных, включающую технико-экономические и экологические параметры тепловозов во всем диапазоне эксплуатационных нагрузочных режимов;
• наметить пути дальнейшего совершенствования методики для расчета количества продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя с целью адаптации результатов в систему ремонта локомотивов по техническому состоянию.
Библиографический список
1. Марков В. А. Токсичность отработавших газов дизелей / В. А. Марков, Р. М. Баширов, И. И. Габи-тов. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 376 с.
2. Новиков Л. А. Уровень и перспективы снижения токсичности и дымности судовых, тепловозных и промышленных дизелей : Обзор / Л. А. Новиков, В. И. Смайлис. - М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990. -28 с.
3. Кавтарадзе Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы / Р. З. Кавтарадзе. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 720 с.
4. Симсон А. Э. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания / А. Э. Симсон, А. З. Хомич, А. А. Куриц и др. - М. : Транспорт, 1987. - 513 с.
5. Ванштейдт В. А. Дизели : справочник / В. А. Ванштейдт, Н. И. Иванченко, Л. К. Коллеров. -Л. : Машиностроение,1977. - 479 с.
6. Звонов В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В. А. Звонов. - М. : Машиностроение, 1981. - 159 с.
7. Володин А. И. Комплексный анализ термодинамических, экономических и экологических характеристик тепловозных дизелей в условиях экс-
плуатации : монография / А. И. Володин, Е. И. Сковородников, А. С. Анисимов. - Омск : Омск. гос. ун-т путей сообщения, 2011. - 166 с.
8. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов / под ред. А. И. Володина. - М. : Желдориздат, 2007. - 264 с.
9. Сковородников Е. И. Методы оценки и пути снижения экологического воздействия тепловозных дизелей на окружающую среду / Е. И. Сковородников. - Омск : Омск. гос. академия путей сообщения, 1995. - 104 с.
10. Гурвич Л. В. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Л. В. Гурвич. - М. : Наука, 1962. - 1480 с.
11. Карп И. Н. Продукты сгорания природного газа при высоких температурах (состав и термодинамические свойства) / И. Н. Карп, Б. С. Сорока, Л. Н. Дашевский, С. Д. Семеркина. - Киев : Техника, 1967. - 382 с.
12. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей / И. И. Вибе. - М. ; Свердловск : Машгиз, 1962. -270 с.
References
1. Markov V.A., Bashirov R. M. & Gabitov I. I. Tok-sichnost'otrabotavshikh gazov dizelei [Toxicity of diesel engine emissions]. Moscow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 2002, 376 p. (In Russian)
2. Novikov L.A. & Smailis V. I. Uroven' ipers-pektivy snizheniia toksichnosti i dymnosti sudovykh, teplovoznykh i promyshlennykh dizelei. Obzor [Level and the prospects for reducing toxicity and smokiness of marine, locomotive and industrial diesels. Review]. Moscow, Central Sci. Research Inst. of Information and Tech. and Econ. Studies in Heavy and Transport Engineering Publ., 1990, 28 p. (In Russian)
3. Kavtaradze R. Z. Teoriiaporshnevykh dvigatelei. Spetsial'nye glavy [Piston engines theory. Special chapters]. Moscow, Bauman Moscow State Technical University Publ., 2008, 720 p. (In Russian)
4. Simson A. E., Khomich A. Z., Kurits A. A. et al. Teplovoznye dvigateli vnutrennego sgoraniia [Internal-combustion diesel engines]. Moscow, Transport Publ., 1987, 513 p. (In Russian)
5. Vanshteidt V. A., Ivanchenko N. I. & Kolle-rov L. K. Dizeli. Spravochnik [Diesels. Reference book]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1977, 479 p. (In Russian)
6. Zvonov V. A. Toksichnost' dvigatelei vnutren-nego sgoraniia [Internal-combustion engines ' toxicity]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, 160 p. (In Russian)
7. Volodin A. I., Skovorodnikov E. I. & Anisi-
mov A. S. Kompleksnyi analiz termodinamicheskikh, ekonomicheskikh i ekologicheskikh kharakteristik teplovoznykh dizelei v usloviiakh ekspluatatsii [Complex analysis of thermodynamic, economic and environmental characteristics of locomotive diesels under operational conditions]. Omsk, Omsk State Transport University Publ., 2011, 166 p. (In Russian)
8. Metody otsenki tekhnicheskogo sostoianiia, ek-spluatatsionnoi ekonomichnosti i ekologicheskoi be-zopasnosti dizel'nykh lokomotivov [Methods for assessing the technical condition, operational efficiency and environmental safety of diesel locomotives]. Ed.
by A. I. Volodin. Moscow, Zheldorizdat Publ., 2007, 264 p. (In Russian)
9. Skovorodnikov E. I. Metody otsenki i puti sni-zheniia ekologicheskogo vozdeistviia teplovoznykh dizelei na okruzhaushchuiu sredu [Assessment methods and ways of reduction of diesel locomotive engines' environmental impact]. Omsk, Omsk State Academy of Communications Publ., 1995, 104 p. (In Russian)
10. Gurvich L. V. Termodinamicheskie svoist-va individual'nykh veshchestv [Thermodynamic properties of individual substances]. Moscow, Nauka Publ., 1962, 1480 p. (In Russian)
11. Karp I. N., Soroka B. S., Dashevskii L. N. & Semerkina S. D. Produkty sgoraniiaprirodnogo gaza pri vysokikh temperaturakh [Combustion products of natural gas at high temperatures]. Kiev, Tekhnika Publ., 1967, 382 p. (In Russian)
12. Vibe I. I. Novoe o rabochem tsikle dvigatelei [New on engines' work cycle]. Moscow, Sverdlovsk, Mashgiz Publ., 1962, 270 p. (In Russian)
СКОВОРОДНИКОВ Евгений Иванович - д-р техн. наук, профессор; *АНИСИМОВ Александр
Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, [email protected]; МИНАКОВ Виталий Анатольевич -старший преподаватель, [email protected]; ЧЕРНЫШКОВ Игорь Владимирович - аспирант, [email protected] (Омский государственный университет путей сообщения).
