CC BY
21
а) б)
Рисунок 12 Анимационными моделями «сборки - разборки»: а. - виртуальная модель узла (выполнено в Autodesk Inventor); б. - фрагмент ролика анимационной модели «сборки - разборки» узла (выполнено в Autodesk Inventor) Источник: разработано автором
Таким образом, ЗО-модели в ИПИ-технологиях используются практически на всех стадиях ЖЦ изделий и их участие все более расширяется. Список использованной литературы:
1. Рыбников А.И. Система управления предприятием типа MRP II. М: Азроконсалт, 1999. 134 с.
2. Гаврилов Д.А. Управление производством на базе стандартов MRP II. 2-е изд. СПб.: Питер, 2005. 416 с.
3. Журнал САПР и графика. Пять доводов в пользу трехмерного моделирования. URL: http://sapr.ru/issue/298 (дата обращения 16.05.2023).
4. Гребенюк И.И., Лупанов К.В. Исследование методик геометрического моделирования на этапе проектирования жизненного цикла изделия.: Международная научная конференция «Компьютерное моделирование в науке и технике» - Дубай: ОАЭ, 2010. С. 5 - 7
5. Гребенюк И.И., Лупанов К.В., Стенин О.В. Цифровое прототипирование. Сборник научно-технических статей НВВИКУ №11. - Кстово: НВВКУ, 2010. С. 24 - 31
© Гребенюк И.И., Гордеев А.Б., Малько Г.В., 2023
УДК 62
Гришанов П.А.
Аспирант кафедры тепловые двигатели Брянский государственный технический университет
г. Брянск, Россия
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА В ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ (ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА)
Аннотация
Приведен обзор состояния вопроса по экологической связанной с образованием окислов азота ^Ох) при работе дизельных двигателей. Рассмотрены физико-химические аспекты образования ^Ох) -
влияние локальных температур в камере сгорания, концентрации химических компонентов, эффекта вихревого движения и турбулентности. Рассмотрены способы снижения выбросов оксидов азота.
Ключевые слова Оксид азота, дизельный двигатель, термический механизм.
1. Введение
Вредные газы, которые выделяются промышленными объектами, электростанциями, автомобилями и другими транспортными средствами, угрожают здоровью человека, попадая оттуда в дыхательные пути, легкие и кровоток. Помимо здоровья человека, загрязнение воздуха также угрожает биоразнообразию и экосистемам. Ущерб от загрязнения воздуха на финансовом уровне достигает очень серьезных цифр. Сообщается, что в 2015 году загрязнение воздуха вызвало расходы в размере 280 миллиардов долларов США только в расходах на медицинскую помощь во всем мире. С прошлого по настоящее время различными организациями были опубликованы десятки отчетов о загрязнении воздуха и его воздействии, разработаны различные стратегии и планы, приняты постановления и законы для предотвращения загрязнения воздуха.
В настоящее время изменение климата, вызванное загрязнением воздуха, стало серьезной проблемой, стоящей на повестке дня практически всех стран мира. Выбросы NOx являются одним из наиболее важных загрязнителей, вызывающих загрязнение воздуха и изменение климата. Выбросы NOx относятся к наиболее эффективному классу загрязняющих веществ наряду с твердыми частицами и озоном. Все виды источников, в которых горение происходит при высоких температурах (двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, электростанции, промышленность и т. д.), создают выбросы NOx, и 95% выбросов NOx приходится на эти источники.
По сравнению с другими загрязнителями воздуха выбросы оксидов азота (NOx) играют важную роль в изменении климата, и особенно дизельные автомобили являются одним из наиболее важных источников образования загрязнителей NOx. Чем опасны выбросы оксидов азота NOx? Оксиды азота - два образования, являющиеся наиболее значительными загрязняющими веществами, производимыми людьми (антропогенными).
Сторонники экологии сказали бы, что это относится только к оксиду азота (NO) и диоксиду азота (NO2), но большинство из них также включают в это описание оксид азота (N2O). Есть и другие варианты, но их концентрация в атмосфере слишком мала.
Почему образуются газы NOx? Существуют три основные причины выбросов NOx:
Высокотемпературное сжигание топлива, когда температура достаточно высока (примерно выше 2000°C) для окисления части азота в воздухе до газов NOx.
При сжигании любого растительного материала выделяются оксиды азота, так как все растения содержат азот.
Химические и промышленные процессы, в которых используется азотная кислота, нитраты или нитриты, будут выделять газы NOx.
В чем разница в сгорании между дизельным двигателем и бензиновым двигателем? В бензиновом/бензиновом двигателе в камеру впрыскивается смесь топлива и воздуха. Он сжимается, а затем воспламеняется свечой зажигания.
В дизельном двигателе воздух впрыскивается в цилиндр и сжимается примерно в два раза сильнее, чем в бензиновом двигателе. Это сжатие вырабатывает тепло, так что дизельное топливо самовозгорается при впрыске. Дизельные двигатели производят больше NOx, чем бензиновые, т.к. работают при более высоких температуре и давлении, чем бензиновые двигатели. Эти условия благоприятствуют образованию газов NOx. Количество зависит от объема и продолжительности самой горячей части пламени.
Транспорт с дизельным двигателем более экономичен, чем транспорт с бензиновым двигателем, за счет производства большего количества энергии для данного объема (дизельное топливо имеет более низкую теплотворную способность, но более высокую плотность, чем бензин/бензин). Кроме того, более высокая температура сгорания в дизельном двигателе делает его более эффективным. Тепловые двигатели могут производить больше полезной работы, если они работают при более высоких температурах.
2. Факторы негативного воздействия NOx
Выбросы NOx называются оксидами азота и обычно представляют собой монооксид азота (NO) и диоксид азота (NO2). Выброс NO представляет собой бесцветный газ без запаха, ядовитый для человека. Газ NO2 представляет собой высокореакционный газ красно-коричневого цвета с удушливым запахом и высокими окислительными свойствами. По сравнению с газом NO токсическое действие газов NO2 в 5 раз выше.
Воздействие выбросов NOx на здоровье человека достигает пугающих масштабов. Сегодня за проблемами, на которые жалуются многие люди, стоят выбросы загрязняющих веществ и особенно выбросы NOx. Отчет Европейского агентства по окружающей среде (ЕАОС), опубликованный в 2017 году, показывает степень загрязнения воздуха и угрозу глобального потепления, вызванную выбросами NOx. В этом отчете указано, что выбросы NOx в 2014 г. стали причиной преждевременной смерти около 80 000 человек в Европе.
Воздействие газов NOx на здоровье человека прямо пропорционально плотности и периоду вдыхания. Низкие скорости или кратковременное вдыхание выбросов NOx могут вызвать проблемы со здоровьем, такие как раздражение глаз и горла, стеснение в груди, тошнота, головная боль и упадок сил. Длительное или большое воздействие газов NOx вызывает сильный кашель, затрудненное дыхание, астму, цианоз, а иногда даже приводит к летальному исходу. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) утверждает, что 80% заболеваний легких и рака легких вызваны загрязнением воздуха, особенно NOx. Исследование показало, что выбросы NOx вызывают преждевременные роды в результате астмы у беременных женщин.
Дождь очень эффективно удаляет из атмосферы оксид азота NO2. Однако при контакте газообразного NO2 с водой образуются азотистая кислота (HNO2) и азотная кислота (HNO3), которые обладают очень коррозионным действием. Это приводит к кислотным дождям, которые особенно вредны для растений. Помимо кислотных дождей, сочетание выбросов NO2 совместно с выбросами углеводородов УВ приводит к образованию фотохимического смога.
3. Физико-химические процессы образования NOx в дизельных двигателях
Автомобильный транспорт занимает первое место среди источников образования выбросов NOx. Благодаря высокому эффективному КПД (низкому расходу топлива) дизельные двигатели с широким спектром применения в транспортном секторе имеют повышенный уровень выбросов NOx.
Существует три различных механизма образования NOx в дизельных двигателях: мгновенные(быстрые) NOx, топливные NOx и тепловые NOx [1,2,3]. Быстрое образование NOx происходит из-за быстрых реакций между радикалами азота, кислорода и углеводородов. В случае присутствия азота в топливе азот, содержащийся в топливе, реагирует с кислородом, и этот механизм определяется как топливный NOx. В термическом механизме NOx азот и кислород реагируют при высоких температурах и вызывают образование NOx.
Термический механизм образования NOx обычно рассматривается как основной источник образования NOx в дизельных двигателях. Приведенная ниже модель Зельдовича [5] объясняет этот механизм:
1. O + N2 О NO + N
2. N + O2 О NO + O
3. N + OH О NO + H
Выбросы NO, образующиеся в результате реакции (1)-(3), могут быть преобразованы в NO2 или обратно в форму NO с помощью следующих реакций.
4. NO + H2O О NO2 + OH
5. NO2 + O О NO + O2
Температура и содержание кислорода являются двумя основными параметрами, влияющими на механизм образования NOx. Дизельные двигатели работают на бедных смесях, имеющих высокие коэффициенты избытка воздуха. Таким образом, в камере сгорания находится больше кислорода, чем необходимо для сжигания топлива.
Когда температура горения (в локальных областях камеры сгорания) топливно-воздушной смеси достигает примерно 2000°C, газообразный N2 вступает в реакцию с кислородом с образованием NO. При повышении температуры увеличивается и процентное содержание NOx.
На образование выбросов NOx влияют термодинамические условия, скорость реакции горения, время, в течение которого газы подвергаются воздействию высокой температуре. Что в свою очередь зависит от параметров топливоподающей системы (давление впрыска, угла опережения впрыска, конструкции топливной форсунки), геометрии камеры сгорания.
Химические реакции, которые происходят при горении дизельного топлива, могут быть описаны химико-кинетическими механизмами. Они определяют, путь протекания реакции, скорость протекания реакции, которые приводят к изменению концентрации веществ.
Для нахождения скорости протекания реакции нужно определить константу скорости реакции, для этого нужно воспользоваться уравнением Арениуса (6) которое показывает взаимосвязь между энергией активации, предэкспоненциальным коэффициентом и абсолютной температурой.
6. k = Ae-Ea/RT,
где k - постоянная скорости, A - предэкспоненциальный множитель, Ea - энергия активации реакции на моль реагентов, R - универсальная газовая постоянная, T обозначает абсолютную температуру реакции в Кельвинах (K).
В дизельных двигателях подавляющее большинство (80-85%) выбросов NOx, образующихся в результате сгорания, находятся в форме NO. Почти все образование NOx происходит в течение 20 градусов угла поворота коленчатого вала после начала сгорания.
Влияние эффекта вихревого движения и турбулентности на образование NOx
Известно, что процесс окисления азота практически не оказывает влияние на протекание основных химических реакций горения и на аэродинамических характеристиках факела. Поэтому процесс расчета образования оксидов азота NO можно проводить в два этапа:
1) непосредственный численный расчет диффузионного турбулентного горения;
2) нахождение решения уравнения переноса;
Для концентрации оксидов азота на основе полученных распределений температуры, концентраций реагирующих компонент и их пульсаций.
Основным вопросом при проведении подобного рода расчетов, по-прежнему, остается выбор адекватной модели турбулентности, модели, позволяющей оценить скорость реакции в турбулентном потоке, и модели образования оксидов азота.
Что касается моделей образования оксидов азота в пламени, то к основным механизмам образования NOx можно отнести:
а) тепловой механизм (схема Зельдовича);
б) радикальный механизм (образование NOx за счет так называемых быстрых реакций);
в) механизм образования NO за счет азотосодержащих соединений в топливе.
Большинство расчетов образования оксидов азота проводится в рамках модели Зельдовича, когда образование NO связывается с протеканием трех основных реакций, а концентрация атомарного кислорода находится из условий равновесия. Более детальное рассмотрение кинетики химических реакций и подробный учет кинетической схемы приводит к значительному усложнению задачи.
4. Методы снижения выбросов окислов азота
Разработанные методы снижения выбросов NOx подразделяются на методы предварительной и вторичной очистки [1,2,3]. Уменьшение выбросов NOx перед направлением в выхлопное отверстие двигателя называется методом предварительной обработки, а уменьшение выбросов NOx после направления в выхлопное отверстие двигателя называется методом последующей обработки. Рециркуляция отработавших газов (EGR), впрыск топлива с электронным управлением, модификация двигателя, увеличение времени впрыска, распыление воды в камере сгорания, улучшение свойств топлива, использование топливных присадок и т.д. — это методы предварительной обработки для снижения выбросов NOx. Катализаторы с ловушкой NOx (LNT) и система селективного каталитического восстановления являются примерами методов доочистки. Это исследование посвящено системам рециркуляции выхлопных газов (EGR), катализаторам, улавливающим обедненные NOx (LNT), и системам селективного каталитического восстановления (SCR), которые были разработаны для предотвращения выбросов NOx и широко используются в дизельных двигателях. Поскольку они являются наиболее эффективными методами устранения выбросов NOx, основное внимание уделяется этим трем системам. Каждая система контроля выбросов NOx рассматривается подробно в свете текущей информации.
EGR — это система, разработанная для включения части выхлопных газов в цилиндре в процесс сгорания с всасываемым воздухом. Целью здесь является снижение конечной температуры сгорания и, следовательно, значений выбросов NOx за счет ухудшения характеристик сгорания, поскольку высокая температура оказывает основное влияние на образование выбросов NOx. Использование системы рециркуляции отработавших газов снижает количество кислорода в цилиндре и, следовательно, приводит к снижению давления и температуры в конце сгорания. Уменьшение количества кислорода подавляет образование NOx. Рециркулирующий в цилиндр отработавший газ, содержащий большое количество СО2 и Н2О, увеличивает удельную теплоемкость всасываемой смеси, что снижает значения температуры в процессах сжатия и сгорания. Вытеснение части кислорода во всасываемой смеси отходящими выхлопными газами снижает коэффициент избытка воздуха и увеличивает задержку воспламенения за счет разбавления топливно-воздушной смеси. Это замедляет смешивание кислорода с топливом и, следовательно, скорость сгорания.
Ловушка обедненных NOx (LNT). Технология улавливания обедненных NOx (LNT), также называемая каталитическим нейтрализатором NOx (NAC), катализатором накопления NOx (NSC) или катализатором хранения/восстановления NOx (NSR), представляет собой метод, используемый для преобразования выбросов NOx при особо низких температурах выхлопных газов. При низких температурах выхлопных газов выбросы NOx в составе выхлопных газов поглощаются поверхностью катализатора и высвобождаются, когда температура выхлопных газов достигает высоких значений.
Поверхность покрытия в катализаторе LNT состоит из катализатора окисления, абсорбента в сочетании с щелочными металлами и катализатора восстановления. В катализаторах LNT обычно присутствуют платина и родий, поддерживаемые структурой AI2O3 с компонентом, обладающим способностью накапливать NOx, таким как карбонат бария (ВаШз). Реакции в катализаторе LNT происходят в двух разных циклах: обедненный и обогащённый. В обедненном цикле NO поглощается
аккумулирующим компонентом и преобразуется в N02 путем окисления на поверхности катализатора и сохраняется в нитратной форме на поверхности. В обогащенном цикле накопленные N0x высвобождаются с поверхности и превращаются в N2 на поверхности катализатора через СО, СН и Н2, которые образуются из-за неполного сгорания. Все реакции, происходящие в катализаторе LNT, приведены в следующих уравнениях:
6. N0 + 1/2 О2 ^ N02
7. ВаСОз +N02 + 1/2 02 ^ Ba(N0з)2 + СО2
8. Ba(N0з)2 ^ Ва0 + 2N0 + 1/2 02
9. Ba(N0з)2 ^ Ва0 + 2N02 + 1/2 02
10. N02 + С0 ^ N0 + СО2
11. N0 + С0/СН ^ 1/2 N2 + С02 / Н20
В уравнении 6, выбросы N0 при низких температурах выхлопных газов окисляются на платиновом катализаторе и преобразуются в форму N02. Выбросы N02 затем поглощаются в форме нитрата бария, которая обладает свойством накопления выбросов N0x (уравнение 7). Когда емкость накопителя заполнена, регенерация запускается путем повышения температуры выхлопных газов до высоких уровней. В процессе регенерации хранящиеся соединения азота становятся термодинамически неустойчивыми и разлагаются на формы N0 и N02 (уравнения (8) и (9)). В присутствии СО, СН и Н2 высвобожденные компоненты N0 и N02 затем реагируют на катализаторе с образованием N2.
Селективное каталитическое снижение выбросов здесь в качестве восстановителя используется аммиак ^Нз), который, как правило, обладает высокой эффективностью. Аммиак получают из водного раствора мочевины. Чтобы предотвратить возгорание из-за высоких температур выхлопных газов. водный раствор мочевины состоит из 67 % очищенной воды (Н20) и 33 % раствора мочевины ((N^^0). Водный раствор мочевины является наиболее часто используемым восстановителем в системах SCR. В частности, при высоких температурах отработавших газов (350-450°С) выбросы N0x в отработавших газах могут быть эффективно устранены с помощью водного раствора мочевины. Однако при низких температурах отработавших газов ниже 200°С эффективность преобразования снижается, и аммиак накапливается на выпускном трубопроводе и поверхностях катализатора. Температуры выше 600°С являются серьезной проблемой для системы NHз-SCR.Потому что, высокие температуры могут вызвать возгорание восстановителя до того, как он достигнет катализатора, и в то же время вызвать деформацию катализатора. Активный рабочий диапазон системы NHз-SCR находится в диапазоне температур выхлопных газов от 200 до 600°С. Максимальная эффективность преобразования может быть достигнута при температуре около 350°С.
В системе NHз-SCR водный раствор мочевины, распыляемый на выхлопной газ, сначала подвергается реакциям термолиза и гидролиза под воздействием высокой температуры (уравнения (12) и (13)). Эти реакции приводят к образованию двух молекул аммиака из одной молекулы мочевины.
12. (N^^0 ^ NHз + HNC0
13. HNC0 + Н2О ^ NHз + С02
Основные реакции, протекающие в системе после реакций термолиза и гидролиза, представлены в уравнениях. (14)-(16).
14. 2N0 + 2N02 + 4NHз ^ 4N2 + 6Н20
15. 4N0 + 4NHз + 02 ^ 4N2 + 6Н20
16. N02 + 8NHз ^ 7N2 + 12^0
Уравнение 14 обеспечивает наибольшую эффективность конверсии в реакциях конверсии, протекающих в системе NHз-SCR. Эта реакция обычно происходит, когда катализатор окисления дизельного топлива р0С) присутствует перед системой NHз-SCR. D0C преобразует выбросы N0 в форму
NO2, и когда содержание NO и NO2 в выхлопных газах приближается друг к другу, в системе NH3-SCR достигается более высокая эффективность. Поэтому система NH3-SCR обычно требует DOC, и они используются вместе в приложениях. Уравнение 15 возникает, когда перед системой NH3-SCR нет никакого DOC, и выбросы NO включаются в большом количестве на выходе выхлопных газов. Если катализатор DOC больше необходимого и, следовательно, подавляющее большинство выбросов NO преобразуется в NO2, уравнение 16 реализуется. С точки зрения эффективности это уравнение демонстрирует наихудшие характеристики преобразования.
Селективное каталитическое восстановление NOx углеводородами (CH-SCR). По сравнению с NH3-SCR системы CH-SCR остались на втором плане из-за их низкой эффективности, но катализаторы, в которых углеводороды используются в качестве восстановителя, разрабатываются с 1980 г.
В качестве альтернативы восстановителю NH3 в системах SCR использование углеводородов улучшает характеристики системы SCR при низкой температуре. Использование дизельного топлива или несгоревших углеводородов в потоке выхлопных газов упрощает систему и снижает ее стоимость. Помимо дизельного топлива, кислородсодержащие УВ, такие как этанол, метанол и пропанол, высокоэффективны в конверсии NOx.
Заключение
Выполненный обзор, показал, что поскольку реакция образования NOx является реакцией с большим значением энергии активации, то наиболее сильное воздействие на эмиссию NOx оказывают турбулентные пульсации температуры и концентраций реагирующих веществ. Анализ полученного анализа позволяет утверждать следующее:
1) при расчетах образования оксидов азота необходимо учитывать изменение скорости химической реакции в турбулентном потоке за счет пульсаций температуры и концентраций компонентов смеси;
2) основным механизмом образования оксидов азота по Зельдовичу Б.Я. является тепловой механизм, однако при рассмотрении горения топливо-обогащенных смесей при низких температурах эмиссия NOx по-быстрому механизму начинает вносить значительный вклад в общий выход NOx;
3) негомогенность смеси и рост концентрации атомарного кислорода по сравнению с равновесной являются основными причинами, вызывающими увеличение выхода NO;
Список использованной литературы:
1. Бегунков Т.Н. Анализ систем удаления оксидов азота (NOx) из отработавших газов дизельных двигателей / Т.Н. Бегунков. - Рязань: Вестник РГАТУ, Том 13 №2, 2021
2. Каменский Е. Н., Булыгин Ю. И. Исследование технико-экологических и экономических характеристик тепловозных ДВС при использовании топлив качества EURO стандарта / Е.Н. Каменский, Ю.И. Булыгин. -Ростов-на-дону: Вестник Донского государственного технического университета. 2009. Т. 9. № 3 (42). С. 458-468.
3. Лопатин О. П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / О.П. Лопатин. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2004 г.
4. Звонов В.А., Гиринович М.П. Исследование механизмов образования оксидов азота в условиях камеры сгорания дизеля / В.А. Звонов, М.П. Гиринович. - М.: Грузовик. 2009. № 1. С. 51-54.
5. Зельдович Б.Я., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении / Б.Я. Зельдович, П.Я. Садовников, Д.А. Франк-Каменецкий. - М.: Наука, 1947. - 146 с.
© Гришанов П.А., 2023
