CC BY
49
100
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
УДК 621.43.068.4
ОСОБЛИВОСТІ ВИЗНАЧЕННЯ МАСОВОГО ВИКИДУ ТВЕРДИХ ЧАСТИНОК
У ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ
О.М. Кондратенко, пров. інж., к.т.н., О.П. Строков, зав. від., проф., д.т.н., ІПМаш ім. А.М. Підгорного НАН України, м. Харків, С.О. Вамболь, доц., д.т.н.,
Національний університет цивільного захисту України, м. Харків
Анотація. Висвітлено проблематику особливостей експериментального порівняльного дослідження робочих характеристик фільтрів твердих частинок для дизельних двигунів взагалі та експериментально-розрахункового визначення масових викидів твердих частинок як одного з найшкідливіших полютантів у відпрацьованих газах автотракторного дизеля зокрема.
Ключові слова: дизель, техногенно-екологічна безпека, тверді частинки, відпрацьовані гази, канцерогени, мутагени, фільтр твердих частинок.
ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОГО ВЫБРОСА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ОТРАБОТАННЫХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЯ
А.Н. Кондратенко, вед. инж., к.т.н., А.П. Строков, зав. отд., проф., д.т.н., ИПМаш им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, С.А. Вамболь, доц., д.т.н.,
Национальный университет гражданской защиты Украины, г. Харьков
Аннотация. Освещена проблематика особенностей экспериментального сравнительного исследования рабочих характеристик фильтров твердых частиц для дизельных двигателей вообще, и экспериментально-расчетного определения массового выброса твердых частиц как одного из наиболее вредных поллютантов в отработанных газах автотракторного дизеля в частности.
Ключевые слова: дизель, техногенно-экологическая безопасность, твердые частицы, отработанные газы, канцерогены, мутагены, фильтр твердых частиц.
FEATURES OF DETERMINING MASS EMISSIONS OF PARTICULATE MATTER
IN DIESEL ENGINES EXHAUST GASES
O. Kondratenko, Ph. D. (Eng.), Lead. Eng., O. Strokov, Prof., D. Sc. (Eng.),
Chief of the Dept., A.N. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of the NASU, Kharkiv, S. Vambol’, Ph. D. (Eng.), Assoc. Prof., National University of Civil Defence of Ukraine, Kharkiv
Abstract. The paper deals with the problems offeatures of experimental comparative research ofparticulate filters of performance for diesel engines in general, and experimental and estimated determination of mass emissions of particulate matter as one of the most harmful pollutants in the exhaust gases of the autotractor diesel engine in harticular.
Key words: diesel, ecological safety, particulate matter, exhaust gases, carcinogens, mutagens, diesel particulate matter filter.
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
101
Вступ
Вимоги до екологічних характеристик дизельних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) автотранспортних засобів (АТЗ) є загальнообов’язковими на територіях України, Європейської Спілки та Російської Федерації, оскільки їх закріплено на законодавчому рівні. Вимоги до інших показників роботи ДВЗ -основні: паливна економічність, експлуатаційна надійність, собівартість виробництва, а також специфічні: багатопаливність, форсування і дефорсування, конверсія тощо - визначаються лише конкурентною боротьбою виробників двигунів і АТЗ на ринку чи встановлюються безпосередньо споживачем.
Аналіз публікацій
Правилами ЄЕК ООН № 49 и № 96 [1, 2] визначаються: перелік нормованих полютантів у відпрацьованих газах (ВГ) дизелів, межові рівні їх масових викидів, методика проведення стендових випробувань дизелів відповідного типу (Пр. № 49 - автомобільні, Пр. №96
- тракторні) та перелік режимів у стаціонарних (без урахування перехідних процесів та режиму вільного прискорення) випробувальних циклів (Пр. № 49 - 13 режимів, Пр. № 96
- 8 режимів), що являють собою моделі експлуатації таких АТЗ. При цьому встановлюється спосіб визначення масового викиду твердих частинок (ТЧ) - непрямим вимірюванням гравіметричним способом, а також засіб його реалізації - повно- чи частковопо-точні тунелі [1-4].
Висока вартість сертифікованих тунелів, що знаходяться у виробництві та експлуатації, вкрай висока наукоємність їх розробки та складність проведення їх сертифікації зумовлюють той факт, що на території України наразі наявні лише два частковопоточні тунелі, лише один з яких сертифіковано (оскільки виготовлений за кордоном) [3].
бораторних моторних експериментальних досліджень екологічних показників автотракторних дизелів і фільтрів твердих частинок (ФТЧ) в умовах дефіциту сертифікованих і стандартизованих засобів.
Завданням дослідження є:
1) пошук способів і засобів визначення масового викиду ТЧ з ВГ дизелів, альтернативних гравіметричному;
2) пошук методики реалізації стандартизованих випробувальних циклів;
3) пошук методики порівняльних експериментальних досліджень ФТЧ різних конструкцій.
Об’єкти досліджень
Результати розробки і вибору раціональної конструкції ФТЧ для транспортних дизелів шляхом математичного і фізичного моделювання процесів у ньому мають підтверджуватися експериментальними дослідженнями робочих характеристик діючих макетних експериментальних зразків ФТЧ у реальних умовах експлуатації [5, 6].
Такі умови створюються на моторному випробувальному стенді (МВС) лабораторії відділу поршневих енергоустановок (ПЕУ) Інституту проблем машинобудування імені А.М. Підгорного НАН України (ІПМаш НАНУ) з модернізованими системами випуску ВГ і відбору проб ВГ на токсичність. Схему такої системи наведено на рис. 1 [7].
Стенд обладнано автотракторним безнаддув-ним двоциліндровим чотиритактним двокла-панним дизелем Д21А1 (2410,5/12) повітряного охолодження з нерозділеною камерою згоряння у поршні, одноплунжерним ПНВТ розподільчого типу та всережимним механічним регулятором, з робочим об’ємом 2,0 дм3 та номінальною потужністю 21-3 кВт, виробництва Володимирського тракторного заводу [8].
Такі обставини визначають необхідність і актуальність пошуку способів та засобів визначення масового викиду ТЧ, що альтернативні тунелям та придатні для попередніх і порівняльних лабораторних моторних стендових досліджень.
Мета і постановка завдання
Метою дослідження є пошук можливостей забезпечення попередніх і порівняльних ла-
Головною робочою характеристикою ФТЧ є ефективність очищення ним ВГ від ТЧ, що визначається відповідним коефіцієнтом КЕО у % за формулою [7]
КЕО (GT4 ) _
(^ГЧ.ДВЗ GT4,OT4 ) ■ 100
G
, (1)
ТЧ.ДВЗ
де Gt4 - масовий викид ТЧ з ВГ у кг/год; індекси дВЗ і ФТЧ - стосуються випадків відсутності та наявності ФТЧ.
102
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
Рис. 1. Схема системи відбору проб ВГ на токсичність і димність МВС:
1, 2 - дизель 2Ч10,5/12 і його випускний колектор; 3, 9 - макетоутримувальна вставка і макет ФТЧ; 4-8 - кутовий і гнучкі газопроводи, глушник шуму, газовивідна труба і перехід-ники відповідно; 10, 21-24 - пробовідбірний зонд і його з’єднувальний газопровід, вивідні газопроводи; 11-16 - відповідно вхідний штуцер, конус, чотириходовий кран, змінний тефлоновий фільтр, ковпак та вихідний штуцер алонжа; 17 - регулюючий кран і вивідні трубопроводи; 18 - витратомір газу ГСБ-400; 19, 20 - п’ятикомпонентний газоаналізатор Ав-тотест-02.03П і його захисний фільтр із тримачем; 25, 26 - дифманометри ДМ; 27-29 -датчики термометричні ТХА та їх дроти; 30 - прилади ОВЕН ТРМ 200; 31 - барометр-анероїд БАММ-1М; 32 - термометр ртутний ТЛ-4; 33 - секундомір СОСпр-2б-2; 34 - ди-момір ІНФРАКАР-Д; 35 - вимірювальний ресивер (6,36 дм3); 36 - повітродувка
При експериментальних дослідженнях екологічних показників дизеля 2410,5/12 і ефективності роботи розробленого ФТЧ на МВС застосовуються наступні підходи.
Підхід до визначення масового викиду ТЧ
Передбачає проведення прямих вимірювань показників димності проб ВГ - коефіцієнта поглинання світлового потоку ND у % та коефіцієнта пропускання світлового потоку К у м-1, об’ємної концентрації незгорілих вуглеводнів палива і моторного мастила у пробі ВГ ССН у млн-1 (або в об’ємних частинах на мільйон - ppm) та режимних параметрів ро-
боти дизеля - масових витрат палива GUBn і повітря G^ дизелем у кг/год на і-му стаціонарному режимі.
Параметри димності проби ВГ на МВС вимірюються димоміром ІНФРАКАР-Д, концентрація вуглеводнів у пробі - п’ятикомпонен-тним газоаналізатором АВТОТЕСТ-02.03.П, режимні параметри - засобами вимірювальної техніки (ЗВТ) МВС.
Для отримання значень масових витрат ТЧ з ВГ дизеля GT4 у кг/год застосовується відома і достовірна формула перерахунку д.т.н., проф. І.В. Парсаданова [9]
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
103
GT4 =(2,340-3 • Nd + 540-5 • N2d +
+0 145 Cch •4,78•10-7-(Gn0B + Gmn) + ’ 0,7734 • GnoB + 0,7239 • Gmjl
+0,33
'Cch • 4,78• 10-7-(GnoB + Gnan) , 0,7734 • GnoB + 0,7239 • Gmjl
ч2Л
X
X(0,7734 • Gn0B + 0,7239 • Gmn ) (2)
1000 , (
де Nd - коефіцієнт поглинання світлового потоку у пробі ВГ, %: CCH - об’ємна концентрація незгорілих вуглевoднів у пробі ВГ, млн-1; GHoB - мaсoві витрaти пoвітря дизелем на /-му стаціонарному режимі роботи, кг/год; Gnm - мaсoві витрaти пaливa дизелем на /-му стаціонарному режимі роботи, кг/год.
Формулу отримано при аналізі результата сертифікаційних випрoбувaнь автотракторного дизеля СМД-31 на моторному стенді фірми Ricardo, обладнаному пoвнoпoтoчним сертифікoвaним тунелем [9].
Підхід до реалізації стандартизованих випробувальних циклів
У переліку режимів роботи дизеля, що входять до вищезгаданих стандартизованих стаціонарних випробувальних циклів, є такі, реалізація яких (тобто переведення дизеля на ці режими і автоматичне підтримання його параметрів, що характеризують ці режими, -частоти обертання колінчастого вала пкв і крутного моменту дизеля Мкр) є вкрай складною для дизеля 2410,5/12 та МВС, що не обладнані електронною системою автоматичного керування (САК).
Це, перш за все, режими з нульовою (характеристика холостого ходу) чи близькою до неї ефективною потужністю дизеля (околиця характеристики холостого ходу).
Іншою проблемою при цьому є потрапляння вимірюваних величин до зон нижніх меж діапазонів вимірювання ЗВТ на МВС і, як наслідок, вихід похибки їх вимірювання за межі нормативно встановлених за ГОСТ [10, 11].
Тому значення параметрів роботи дизеля і ФТ4 для режимів зі згаданих переліків отримано шляхом аналізу поліномів 1-4-го ступеня, отриманих описанням методом лінійної регресії [12] результатів моторних випробу-
вань, при яких дизель працював за режимами таких характеристик:
- зовнішня швидкісна (з максимальними навантаженням і паливоподачею у діапазоні пкв 900-1800 хв-1);
- навантажувальна з частотою обертання колінчастого вала режиму максимального крутного моменту (для дизеля 2410,5/12 це 1200 хв-1);
- навантажувальна з частотою обертання колінчастого вала режиму номінальної потужності (для дизеля 2410,5/12 це 1800 хв-1);
- характеристика холостого ходу (з нульовою ефективною потужністю у діапазоні пкв 800-1800 хв-1).
Підхід до порівняльних моторних випробувань ФТЧ різної конструкції
Діючі макетні експериментальні зразки різних варіантів конструкції ФТ4, розробленого у відділі ПЕУ ІПМаш НАНУ, випробовуються у складі випускної системи МВС з метою отримання їх робочих характеристик.
Для порівняння цих варіантів конструкції між собою використовуються виміряні та обчислені їх робочі характеристики при роботі дизеля 2410,5/12 за режимами зовнішньої швидкісної характеристики. Цих даних для такого порівняння достатньо, оскільки цьому сприяють такі особливості згаданої характеристики [7].
1. За нею потік ВГ (масові витрати ВГ, що належать до одиниці площі характерного перерізу експериментального зразка), у функції якого змінюється гідравлічний опір зразків (як друга за значущістю робоча характеристика ФТ4), змінюється у найбільш широких межах для дизеля.
2. Вона містить режим максимального крутного моменту дизеля, на якому зазвичай спостерігається глобальний мінімум коефіцієнта надлишку повітря а у полі робочих режимів дизеля (так звана «межа димління» при а, рівному 1,3) і, як наслідок, глобальний максимум димності ВГ, а значить, і масових викидів Т4.
Також на цьому режимі спостерігається глобальний максимум температури ВГ у випускному колекторі дизеля.
104
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
Не менш важливим є те, що на цьому режимі для автотракторного дизеля за відсутності електронної САК узгоджуються (шляхом оп-тимізації та настроювання) решта параметрів його роботи задля досягнення глобального мінімуму питомих ефективних витрат палива.
3. Вона містить номінальний режим роботи дизеля, на якому спостерігається глобальний максимум годинних масових витрат палива і відпрацьованих газів.
4. За її режимами змінюється температура ВГ в межах, достатніх для прогнозування залежності від неї робочих характеристик експериментальних зразків ФТЧ.
Висновки
Таким чином, за результатами проведеного дослідження можна зробити висновок щодо відсутності тунелів для визначення масового викиду ТЧ (гравіметричним методом) у переважній більшості лабораторій вітчизняних наукових установ, обладнаних моторними випробувальними стендами, у тому числі й лабораторії відділу ПЕУ ІПМаш НАНУ. Це зумовлено об’єктивними обставинами.
Однак, незважаючи на вищевказане, при забезпеченості таких лабораторій традиційними засобами аналізу проб ВГ з ТЧ (газоаналізатори і димоміри) попередні та порівняльні експериментальні дослідження екологічних характеристик будь-якого типу дизелів, у тому числі й автотракторного дизеля 2410,5/12, а також робочих характеристик різних варіантів конструкції експериментальних зразків ФТЧ, у тому числі й ФТЧ ІПМаш, можливі, а їх результати достовірні та мають велике науково-практичне значення для двигунобудів-ної та транспортної галузей.
Література
1. Regulation № 49. Revision 5. Uniform provision concerning the approval of compression ignition (C.I.) and natural gas (NG) engines as well as positive-ignition (P.I.) engines fuelled with liquefied petroleum gas (LPG) and vehicles equipped with C.I. and NG engines and P.I. engines fuelled with LPG, with regard to the emissions of pollutants by the engine. - United Nations Economic and Social Council Economics Commission for Europe In-
land Transport Committee Working Party on the Construction of Vehicles. - E/ECE /TRANS/505. - 4 May 2011. - 194 p.
2. Regulation № 96. Uniform provision concer-
ning the approval of compression ignition (C.I.) engines to be installed in agricultural and forestry tractors with the regard to the emissions of pollutants by the engine. Geneva, 1995. - 109 p.
3. Оценка и контроль выброса дисперсных
частиц с отработавшими газами дизелей / В.А. Звонов, Г.С. Корнилов, А.В. Козлов, Е.А. Симонова. - М.: Прима-Пресс-М, 2005. - 312 с.
4. Поливянчук А.П. Повышение точности
гравиметрического метода измерений удельного выброса твердых частиц с отработавшими газами дизеля / А.П. Поливянчук // Двигатели внутреннего сгорания. - 2010. - № 2. -
С.110-113.
5. Кондратенко А.Н. Экспериментальное ис-
следование действующего макета фильтрующего элемента фильтра твердых частиц дизеля с насыпкой из природного цеолита. Часть 1 / А.Н. Кондратенко, А.П. Строков, Н.М. Карасиченко // Двигуни внутрішнього згоряння. -2013. - № 1. - С. 88-92.
6. Кондратенко А.Н. Экспериментальное ис-
следование действующего макета фильтрующего элемента фильтра твердых частиц дизеля с насыпкой из природного цеолита. Часть 2 / А.Н. Кондратенко, А.П. Строков, С.П. Хожаинов // Двигуни внутрішнього згоряння. -2013. - № 2. - С. 92-97.
7. Кондратенко О.М. Стендові випробування
автотракторного дизеля 2Ч10,5/12 за стандартизованими циклами для визначення ефективності роботи ФТЧ /
О.М. Кондратенко, О.П. Строков, С О. Вамболь // Вісник НТУ «ХПІ». Серія «Автомобіле- та тракторобудування». - 2014. - № 10 (1053). -
С.11-18.
8. Эфрос В.В. Дизели с воздушным охлаж-
дением Владимирского тракторного завода / В.В. Эфрос. - М.: Машиностроение, 1976. - 277 с.
9. Парсаданов І.В. Підвищення якості і кон-
курентоспроможності дизелів на основі комплексного паливно-екологічного критерію: монографія / І.В. Парсаданов. - Х.: Видавничий центр НТУ «ХПІ», 2003. - 244 с.
Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014
105
10. Дизели тракторные и комбайновые. Ме-
тоды стендовых испытаний: ГОСТ
Р 18509-88. - [Введен в действие с 1995-01-01] - М.: Изд-во стандартов, 1995. - 78 с. - (Стандарт Российской Федерации).
11. Двигатели автомобильные. Методы стен-
довых испытаний: ГОСТ Р 14846-87. -[Введен в действие с 2002-12-25]. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 42 с. -(Стандарт Российской Федерации).
12. Эберт К. Компьютеры. Применение в хи-
мии: пер. с нем. / К. Эберт, Х. Эдерер. - М.: Мир, 1988. - 416 с.
References
1. Regulation № 49. Revision 5. Uniform pro-
vision concerning the approval of compression ignition (C.I.) and natural gas (NG) engines as well as positive-ignition (P.I.) engines fuelled with liquefied petroleum gas (LPG) and vehicles equipped with C.I. and NG engines and P.I. engines fuelled with LPG, with regard to the emissions of pollutants by the engine. - United Nations Economic and Social Council Economics Commission for Europe Inland Transport Committee Working Party on the Construction of Vehicles. - E/ECE /TRANS/505, 4 May 2011. 194 p.
2. Regulation № 96. Uniform provision concer-
ning the approval of compression ignition (C.I.) engines to be installed in agricultural and forestry tractors with the regard to the emissions of pollutants by the engine. Geneva, 1995. 109 p.
3. Zvonov V.A., Kornilov G.S., Kozlov A.V.,
Simonova E.A. Ocenka i kontrol' vybrosa dispersnyh chastic s otrabotavshimi gazami dizelej, Moskow, Prima-Press-M Publ., 2005. 312 p.
4. Polivjanchuk A.P. Povyshenie tochnosti gra-
vimetricheskogo metoda izmerenij udel'-nogo vybrosa tverdyh chastic s otrabotav-shimi gazami dizelja. Dvigateli vnutren-nego sgoranija, 2010, vol. 2. рр. 110-113.
5. Kondratenko A.N., Strokov A.P., Karasi-
chenko N.M. Eksperimental'noe issledo-vanie dejstvujushhego maketa fil'truju-
shhego elementa fil'tra tverdyh chastic di-zelja s nasypkoj iz prirodnogo ceolita. Chast' 1. Dviguni vnutrishn'ogo zgorjannja, 2013, vol. 1. рр. 88-92.
6. Kondratenko A.N., Strokov A.P., Hozhai-
nov S.P. Eksperimental'noe issledovanie dejstvujushhego maketa fil'trujushhego elementa fil'tra tverdyh chastic dizelja s nasypkoj iz prirodnogo ceolita. Chast' 2. Dviguni vnutrishn'ogo zgorjanija, 2013, vol. 2. рр. 92- 97.
7. Kondratenko O.M., Strokov O.P., Vambol' S.O.
Stendovi vyprobuvannja avtotraktornogo dyzelja 2Ch10,5/12 za standartyzo-vanymy cyklamy dlja vyznachennja efektyvnosti roboty FTCh. Visnyk NTU «KhPI». Serija «Avtomobile- ta traktoro-buduvannja», 2014, vol. 10 (1053).
рр.11-18.
8. Efros V.V. Dizeli s vozdushnym ohlazh-
deniem Vladimirskogo traktornogo zavoda. Moskow, Mashinostroenie Publ., 1976. 277 p.
9. Parsadanov I.V. Pidvyshhennja jakosti i kon-
kurentospromozhnosti dyzeliv na osnovi kompleksnogo palyvno-ekologichnogo kryteriju. Kharkiv, Vydavnychyj centr NTU «KhPI» Publ., 2003. 244 p.
10. Dizeli traktornye i kombajnovye. Metody
stendovyh ispytanij: GOST 18509-88.
Vveden v dejstvije s 1995-01-01. Moskow, Izd-vo standartov Publ., 1988. 78 p. - (Standart Rossijskoj Federacii).
11. Dvigateli avtomobil'nye. Metody stendovyh
ispytanij: GOST 14846-87. Vveden v dejstvije s 2002-12-25. Moskow, Izd-vo standartov Publ., 1987. 42 p. (Standart Rossijskoj Federacii).
12. Ebert K., Ederer H. Komp'jutery. Prime-
nenie v himii: Per. s nem. Moskow: Mir Publ., 1988. 416 p.
Рецензент: О.М. Врублевський, професор, д.т.н., ХНАДУ
Стаття надійшла до редакції 15 жовтня 2014 р.
