CC BY
55
Чудинов А. Н. № 2015122321; заявл. 10.06.2015; опубл. 17.01.2017, Бюл. № 2. 12 с.
14. Пат. 2475932 РФ, МПК Н02Р 5/52, С05Б 13/62 (2006.01). Способ фазирования вращающегося вала электродвигателя и устройство для его осуществления / Бубнов А. В., Чудинов А. Н., Емашов В. А. № 2011137915/07; заявл. 14.09.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5. 2 с.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрическая техника».
Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Физика».
ЧЕТВЕРИК Алина Наилевна, старший преподаватель кафедры «Электрическая техника». Адрес для переписки: alina.an@mail.ru
Статья поступила в редакцию 15.05.2017 г. © А. В. Бубнов, С. В. Бирюков, А. Н. Четверик
УДК 621.431:621.43.06
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО А. Л. ИВАНОВ В. А. БОРИСОВ П. В. ЛИТВИНОВ
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,
г. Омск
Омский государственный технический университет, г. Омск
Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск
АНАЛИЗ ПУТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В статье представлен подробный анализ путей образования оксидов азота, окиси углерода, углеводородов, альдегидов, сажи и твердых частиц в отработавших газах поршневых двигателей. Приведен обзор влияния данных веществ на экологию и представлены результаты для нахождения путей снижения концентрации вредных веществ в отработавших газах поршневых двигателей для улучшения энергоэффективности.
Ключевые слова: поршневые двигатели, отработавшие газы, процесс сгорания, оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды, твердые частицы.
Введение. В настоящее время одной из основных задач является недопущение ухудшения экологической обстановки на Земле. В атмосферу выбрасывается огромное количество оксидов углерода (СО и СО2), азота (N0 и N0^, несгоревших углеводородов (СН) и прочих вредных веществ, поскольку около 90 % энергии человечество получает от сжигания углеродсодержащих топлив. В первую очередь это касается различных транспортных средств, выполняющих свои функции непосредственно в местах обитания людей — в городах. С целью ограничения вредных выбросов на транспорте мировым сообществом вводятся предписания, устанавливающие меры ограничения выбросов вредных газообразных веществ и взвешенных частиц из двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для ис-
пользования как на транспорте, так и в стационарных режимах, и из двигателей с принудительным зажиганием, работающих на бензине, природном газе, сжиженном нефтяном газе и предназначенных для использования в тех же целях.
Требования к выбросам вредных веществ транспортными средствами в России устанавливает Технический Регламент Таможенного Союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств», базирующийся на правилах ЕЭК-ООН, стандартах Евро-4, Евро-5 и Евро-6. Введение новых стандартов ожидается в 2020 и 2025 годах, в которых будут регулироваться нормы выбросов различных вредных веществ [1—4].
Очистка отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) от окиси углерода,
оксидов азота, углеводородов, сажи и альдегидов является одной из актуальных проблем. Перечисленные вещества оказывают воздействие как на рабочий персонал транспортных предприятий, так и на население крупных городов.
В частности, каждая частица пыли, копоти, аэрозоля или сажи, выбрасываемая передвижными и стационарными источниками загрязнений, адсорбирует на своей поверхности множество различных микроорганизмов. Количество микробов в воздухе растёт при увеличении концентрации пыли, дыма и сажи. Несмотря на то, что воздух не является благоприятной средой для развития микроорганизмов, даже относительно короткое пребывание патогенных или условно патогенных бактерий в воздухе бывает вполне достаточно, чтобы обеспечить развитие заболеваний и даже эпидемий [5].
Исходя из этого можно сделать вывод, что снижение выбросов вредных веществ в отработавших газах автомобилей является одной из приоритетных задач в двигателестроении. Для разработки мероприятий по снижению вредных выбросов будет логичным изучение путей и механизмов образования и воздействия на данные вещества, что и будет отражено в данной работе.
Образование оксидов азота в двигателях. Азот содержится в естественном состоянии в атмосферном воздухе (примерно 78 %), а также в химически связанном состоянии в компонентах жидкого топлива (до 5 % по объему топлива, или около 0,5 % по массе). Оксиды азота образуются при окислении азота во время процесса сгорания топлива [6].
N0 на порядок токсичнее СО, поскольку при попадании на почву, растительность, в водные источники, на поверхности зданий и сооружений, а также другие объекты жизнедеятельности человека образуют азотистую и азотную кислоту, вредное действие которых на фауну и флору широко известно [4].
Изменение объёма камеры сгорания (КС) (из-за движения поршня), относительная неоднородность топливно-воздушной смеси (ТВС), движение ТВС в КС, распад на составные элементы продуктов сгорания, неравномерность распределения топлива по цилиндрам, а также цикловая неравномерность усложняет исследование процесса образования окислов азота в цилиндре ДВС [7].
Оксиды азота образуются при протекании термохимических реакций окисления азота, содержащегося в атмосферном воздухе и частично в топливе. Основными азотсодержащими компонентами в топливе являются пиридин и его производные [6].
При нахождении температуры в цилиндре в пределах 1800...2800 К, азот и кислород вступают в химическое взаимодействие по следующему механизму, называемому цепным [8, 9]:
N + О ^ N0 + N - 316 кДж/(Юмоль); (1)
N + 02 ^ N0 + N + 136 кДж/(Юмоль). (2)
Первая реакция является определяющей, так как ее скорость зависит от концентрации атомарного кислорода. При сгорании в цилиндрах ДВС образуется главным образом оксид азота N0, который составляет свыше 95 % количества данных оксидов. В двигателях с принудительным воспламенением смеси окисление азота и образование N0 происходит за фронтом пламени в зонах достижения наивысших температур. Образование N0 сильно
увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода. В случае наличия свободного кислорода в системе выпуска отработавших газов происходит частичное доокисление оксида азота до диоксида [6, 8, 9].
Существует несколько путей образования оксидов азота. В процессе горения углеводородных топлив «быстрый» N0 образуется вследствие столкновения углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры, «топливный» N0 — вследствие окисления азотсодержащих соединений топлива при низкой температуре, «термический» N0 — при высоком температурном окислении атмосферного азота [7].
Быстрое окисление азота происходит при кратковременном процессе, в результате чего зона образования N0 локализована на небольшом участке фронта ламинарного пламени (10 % его ширины). При этом выход N0 слабо зависит в большей степени от коэффициента избытка воздуха, чем от температуры сгорания.
Топливные оксиды азота образуются при сгорании азотсодержащего топлива, причём данный вид азота вступает в реакцию окисления легче, чем атмосферный. Процесс не является лимитирующим по скорости из-за быстроты протекания реакций образования топливных оксидов азота. По мере роста концентрации азота в топливе уменьшается степень перехода в N0 азотсодержащих соединений. При этом установлена слабая зависимость выхода топливных N0x от температуры продуктов сгорания. Вид азотсодержащего соединения и содержание кислорода в топливе не оказывают влияния на выход топливных N0 . Также следует отметить, что в ДВС с принудительным воспламенением топливной смеси образование N0x обусловлено лишь окислением азота кислородом, так как азотные соединения при перегонке нефти остаются в тяжелых фракциях [6, 10, 11].
Термические оксиды азота образуются во время процесса окисления азота, осуществляемого за фронтом пламени атмосферным кислородом. Их образование не зависит от химического состава топлива, если оно не содержит азота, а целиком и полностью определяются максимальной температурой сгорания. При высокой скорости охлаждения продуктов сгорания выбросы N0x снижаются. В бедных ТВС концентрация N0x определяется максимальной температурой сгорания, в богатых — выход N0x определяется кинетикой разложения. При максимальной температуре сгорания не наблюдается превышение равновесной концентрации данных выбросов. На количество образовавшихся N0x существенно влияет неравномерность распределения температуры в зоне продуктов сгорания бедных ТВС и незначительно — в зоне богатых [7, 12].
Образование окиси и оксида углерода. Карбок-сигемоглобин, блокирующий перенос кислорода к органам и тканям, образуется, когда окись углерода связывает гемоглобин крови человека и животных. Тяжелые отравления наступают при концентрации в 0,2 % по объему, а летальный исход — при превышении 1 % [5, 6].
Окись углерода (С0) образуется в ходе холодно-пламенных реакций в двигателях с воспламенением от сжатия во время сгорания при недостатке кислорода, или диссоциации С02 в двигателях с принудительным воспламенением топлива. Состав смеси в данных двигателях оказывает основное влияние
Рис. 1. Диаграмма «Коэффициент избытка воздуха — температура в цилиндре ДВС с зонами образования вредных веществ
на образование СО: концентрация СО выше при богатой смеси. В дизелях образовавшийся СО затем окисляется до С02, поэтому концентрация С0 в ОГ мала и зависит от качества процесса смесеобразования [9].
Также СО образуется в дизелях при избытке воздуха в условиях высокой температуры сгорания топлива под влиянием локального определенного соотношения между топливом и воздухом в камере сгорания.
Образование углеводородов. Различные виды углеводородов вызывают заболевания нервной, дыхательной и сердечно-сосудистой систем, а также являются канцерогеном [5, 6].
Углеводороды (СН) появляются в ОГ вследствие затухания пламени вблизи сравнительно холодных стенок КС, в «защемленных» объемах, находящихся в вытеснителях и в зазоре над верхним компрессионным кольцом между поршнем и цилиндром.
При пиролизе молекул топлива в переобогащенных зонах СН образуются и попадают в ОГ при недостаточном количестве кислорода. СН выбрасываются в атмосферу вследствие нарушения герметичности системы вентиляции картера или выпускного клапана, пропусков воспламенения, а также из-за испарения топлива в топливном баке или системе впрыска [9, 11].
Образование альдегидов. В ДВС, работающих на дизельных, бензиновых и газовых топливах, могут образоваться альдегиды, если процесс сгорания частично протекает при низких для него температурах (не более 500...800 К). В двигателях с послойным смесеобразованием это наблюдается в конце процесса сгорания при охлаждении смеси холодными поверхностями камеры сгорания или при сгорании обеднённой смеси (а = 0,7.0,9). Одним из главных источников первичных альдегидов в цилиндре дизельного ДВС служат остаточные газы. По своему происхождению альдегиды, выделяемые с ОГ, не связаны непосредственно с процессом основного сгорания в цилиндре дизеля, а образуются при выпуске отработавших газов в конце процесса расширения. Источниками альдегидов в этом случае могут быть топливо, подтекающее из распылителя после отсечки; ТВС, находящаяся у стенок цилин-
дра. Главным же источником альдегидов является пленка смазочного масла, остающаяся на стенках цилиндра при движении поршня в ходе такта расширения [13].
Альдегиды в ходе непосредственной реакции с кислородом образуют гидроперекиси, дающие радикалы путем разрыва перекисной связи. Получившиеся при этом цепи, в свою очередь, увеличивают концентрацию альдегидов до достижения некоторого равновесия между образующимися и разрушающимися альдегидами. Образование альдегидов проходит при 530.660 К. В ОГ ДВС образуются следующие альдегиды: ацетальдегид, акролеин, бензальдегид, формальдегид, толуальдегид, фурфурол). В целом содержание альдегидов в ОГ бензиновых двигателей может достигать 240 мг/м3, а в ОГ дизельных двигателей — 30 мг/м3.
Образование сажи. Частицы сажи представляют собой агломерат кристаллов, состоящих из набора отдельных сеток графитовых шестиугольников. Образование сажи является объёмным процессом пиролиза углеводородов в газовой фазе при сильном недостатке окислителя. Оно наблюдается при нагревании выше 1300.1800 К в зонах КС во время разложения углеводородов топлива при недостатке кислорода. Для дизельного двигателя диапазон а, при котором происходит наиболее интенсивное образование сажи, равен 0,33.0,7. Ускоренное образование сажи наблюдается в КС при температуре 2050 К, а максимальная концентрация — при 2200 К. Количество сажи в ОГ уменьшается при более высоких температурах, когда скорость окисления сажи превышает скорость ее образования [13].
Выделение сажи происходит в три этапа. Первым этапом является образование зародыша, вторым — рост зародыша в частице фазы, третьим — коагуляция (поверхностный рост) первичных сажевых частиц. При этом предполагается, что порядка 95 % сажи образуется во время третьего этапа, а не первого.
Выбросы частиц сажи при работе бензиновых ДВС ниже, чем при работе дизельных двигателей. Тем не менее данные частицы обнаруживаются даже в выхлопе бензиновых ДВС с непосредственным впрыском топлива. Поэтому есть предложения
по ограничению предельного содержания частиц в ОГ автомобилей.
На диаграмме «коэффициент избытка воздуха — температура в цилиндре ДВС» (рис. 1), предложенной в работе [13], представлены зоны максимальной концентрации вредных веществ.
Данная диаграмма дает наглядное представление зон максимальной концентрации рассмотренных выше вредных веществ. При этом данная диаграмма не дает полного представления о характере образования вредных выбросов, поскольку не учитывает давление в цилиндре.
При использовании модифицированных поршней, таких как с керамическим, корундовым или каталитическим покрытием, происходит изменение температуры в цилиндре [4, 14—17].
При этом использование поршней с каталитическим покрытием способствует сокращению эмиссии углеводородов и окиси углерода, а также оказывает незначительное влияние на выбросы альдегидов и оксидов азота [4, 14]. С учетом использования данных модификаций поршней, области концентрации данных веществ изменят свой вид и местоположение из-за изменения характеристик рабочего процесса.
Выводы. Обобщение и анализ путей образования вредных выбросов в ОГ ДВС позволяет подробнее рассмотреть возможные пути их снижения. При этом становится возможным выбор способа уменьшения выбросов не только для конкретных веществ, но и в целом для всех вредных выбросов. При этом установлено, что произойдет сокращение зон максимальной концентрации образования вредных веществ. В дальнейших исследованиях будут представлены и подробно рассмотрены пути снижения выбросов вредных веществ.
Библиографический список
1. Единообразные предписания, касающиеся подлежащих принятию мер по ограничению выбросов загрязняющих газообразных веществ и твердых частиц из двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенных для использования на транспортных средствах, а также выбросов загрязняющих газообразных веществ из двигателей с принудительным зажиганием, работающих на природном газе или сжиженном нефтяном газе и предназначенных для использования на транспортных средствах: Правила ООН № 49. Доступ из справ.-правовой системы «Консультант Плюс».
2. О безопасности колесных транспортных средств: технический регламент таможенного союза ТР ТС 018/2011 от 09.12.2011 № 877. URL: http://rosavtotransport. ru/netcat_files/58/59/O_BEZOPASNOSTI_KOLESNYH_ TRANSPORTNYH_SREDSTV.pdf (дата обращения: 07.05.2016).
3. Ведрученко В. Р., Литвинов П. В. Анализ требований к нормативам выбросов вредных веществ // Архитектура, строительство, транспорт: материалы междунар. науч.-практ. конф. URL: file:///C:/Users/user/Downloads/Анализ%20требо-ваний%20к%20нормативам%20выбросов.pdf (дата обращения: 07.05.2016).
4. ВедрученкоВ.Р., Иванов А. Л.,БорисовВ.А.,Литвинов П. В. Влияние материала поршня на процесс сгорания топлива в двигателе // Вестник СибАДИ. 2016. № 5 (51). С. 61-68.
5. Чиркова А. И., Литвинов П. В. Зеленые насаждения как метод защиты от шума и вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания в сельской местности // Молодой учёный. 2017. № 11 (145). С. 173-176.
6. Шароглазов Б. А., Шишков В. В. Поршневые двигатели: теория, моделирование и расчет процессов. Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011. 525 с.
7. Дерячев А. Д. Эмпирическая модель оценки концентрации оксидов азота при добавке водорода в ТВС двигателей с искровым зажиганием: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02. Тольятти. 2015. 150 с.
8. Шатров М. Г. [и др.]. Автомобильные двигатели / под ред. М. Г. Шатрова. 2-е изд., испр. М.: Издат. центр Академия, 2011. 464 с.
9. Луканин В. Н., Морозов К. А. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов / под ред. В. Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1995. 369 с.
10. Eberius H. [et al.]. Konversion von brennstoffgebundenem Stickstoff am Beispiel von dotierten Propan-Luft-Flammen // VDI-Berichte. 1987. Vol. 645. P. 626-645.
11. Звонов В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1981. 160 с.
12. Зельдович Я. Б. [и др.]. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478 с.
13. Лашко В. А., Привальцев И. Ю. Образование выбросов отработавших газов и управление процессом сгорания в поршневом двигателе // Учёные заметки ТОГУ. 2014. Т. 5, № 1. С. 324-337.
14. Ведрученко В. Р., Иванов А. Л., Борисов В. А., Литвинов П. В. Обоснование выбора каталитического покрытия камеры сгорания поршневого двигателя // Архитектурно-строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы, перспективы, новации: материалы междунар. науч.-практ. конф. Омск: Изд-во СибАДИ, 2016. С. 654-660. URL: https:// elibrary.ru/item.asp?id = 28180358 (дата обращения 24.03.2017).
15. Ciniviz M. [et al.]. Ceramic Coating Applications and Research Fields for Internal Combustion Engines // Ceramic Coatings — Applications in Engineering. 2012. ISBN 978-953-510083-6. DOI: 10.5772/29993. URL: http://www.intechopen.com/ books/ceramic-coatings-applications-in-engineering/ceramic-coating-applications-and-research-fields-for-internal-combustion-engines (дата обращения: 03.10.2016 г).
16. Hu Z, Ladommatos N. In-Cylinder Catalysts — A Novel Approach to Reduce Hydrocarbon Emissions from Spark-Ignition Engines // SAE Technical Paper 952419. 1995. DOI 10.4271/952419.
17. Zeng W., Xie M. A novel approach to reduce hydrocarbon emissions from the HCCI engine // Chemical engineering journal. 2008. Vol. 139, I ssue 2. P. 380-389.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). Адрес для переписки: vedruchenkovr@mail.ru ИВАНОВ Александр Леонидович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета (СибАДИ). Адрес для переписки: alsib07@yandex.ru БОРИСОВ Вадим Андреевич, кандидат химических наук, научный сотрудник Института проблем переработки углеводородов СО РАН; старший преподаватель кафедры «Химическая технология и биотехнология» Омского государственного технического университета.
Адрес для переписки: borisovtiger86@mail.ru ЛИТВИНОВ Павел Васильевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика» ОмГУПС; инженер кафедры «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование» СибАДИ.
Адрес для переписки: p_vasilich55@mail.ru
Статья поступила в редакцию 15.05.2017 г. © В. Р. Ведрученко, А. Л. Иванов, В. А. Борисов, П. В. Литвинов
