CC BY
35
УДК 502 : 629.03
Л. с. лнисимов
А. М. МИНИТЛЕВЛ Н. С. ПАНОВА
Омский государственный университет путей сообщения
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В статье рассматривается аналитический метод экологического мониторинга транспортных двигателей, базирующийся на параметрах выгорания топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
Ключевые слова: мониторинг, вредные выбросы, отработавшие газы, дизель, двигатель.
Продукты сгорания в цилиндре дизельных двигателей внутреннего сгорания образуются в основном в результате химических реакций окисления составляющих топлива кислородом воздуха и в результате соединения кислорода и азота, содержащихся в воздухе, с составляющими топлива и продуктами сгорания, протекающего в течение рабочих процессов «сгорание — расширение». Токсичными элементами в продуктах сгорания дизельного топлива элементарного состава (С-ЬН + 5 + 0=1) являются: озон (Оэ), сажа (С), оксид углерода (СО), оксиды азота (Н0,Ы02), аммиак (ЫН3), диоксид серы (502), сероводород (Н2Б) т сероуглерод (С52), метин (СН), метил (СН3), формальдегид (Н2СО) и бензопирен (С20Н12).
В табл. 1 представлен средний состав отработавших газов дизельных двигателей различного назначения, заимствованный из работы [ 1 ].
Анализ данных, приведенных в таблице, позволяет предположить:
— при формировании таблицы использованы результаты всех известных теоретических и экспериментальных методов, позволивших определить в составе продуктов сгорания 9 элементов; утверждение
некоторых авторов о том, что в составе отработавших газов дизельных двигателей может 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 77,5 %), 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 Киотского протокола, несомненно, потребует постоянного эксплуатационного мониторинга в области определения и прогнозирования не только количества вредных выбросов но и количества парни-
Таблица 1
Состав отработавших газов дизельных двигателей
Компонент отработавших газов дизеля Концентрация компонентов в отработавших газах
% г/(кВт-ч)
Азот 1Ч2 74,0 - 78,0 -
Кислород 02 2,0 - 18,0 -
Пары воды Н20 0,5 - 9,0 -
Диоксид углерода С02 1,0 - 12,0 -
Моноокись углерода СО 0,005 - 0,400 1,50 - 12,00
Монооксид азота N0 0,004 - 0,500 6,00 - 18,00
Диоксид азота Ы02 0,00013 - 0,0130 0,50 - 2,00
Сажа С - 0,25 - 2,00
3,4 — бенз(а)пирен - (1,0 —2,0)106
Таблица 2
Нормативные, удельные и предельно допустимые значения вредных выбросов в отработавших газах тепловозов
Позиция контроллера машиниста КМ Серия тепловоза Количество оксида углерода, кг/ч Количество оксидов азота, кг/ч
СО(н) СО,УЛ) СО(ПР) NOx(H) NOx(VA) NOx(np)
0 ТЭМ2 0,074 0,712 0,113 0,181 0,301 0,712
ЧМЭЗ 0,185 0,609 1,782 0,767 3,998 0,183
3 ТЭМ2 0,925 0,029 0,772 7,611 4,479 6,892
ЧМЭЗ 2,549 0,539 1,934 10,886 9,322 6,363
5 ТЭМ2 2,407 3,278 2,772 15,402 14,380 26,807
ЧМЭЗ 4,697 1,948 2,955 18,834 11,280 15,268
7 ТЭМ2 4,619 9,491 9,951 25,465 29,974 33,871
ЧМЭЗ 7,303 4,521 6,289 27,795 11,967 28,001
8 ТЭМ2 5,999 13,709 18,855 31,347 39,906 33,871
ЧМЭЗ 8,778 6,244 9,470 32,561 11,833 35,803
ковых газов в отработавших газах дизельных двигателей с учетом фактических и перспективных объемов перевозок.
В условиях эксплуатации для контроля степени экологического воздействия дизельных локомотивов на окружающую среду проводятся специальные периодические испытания с оценкой состава и удельного количества вредных выбросов в отработавших газах при различных нагрузках дизель-генераторных установок тепловозов. Тогда массовая величина выбросов ьго вредного вещества при работе тепловоза в течение некоторого интервала времени I определяется по формуле, кг:
5*,
г (1)
к=0
где Пк — количество позиций контроллера машиниста тепловоза; д1к — удельный выброс 1-го вредного вещества при работе тепловоза на к-ой позиции контроллера машиниста, кг/ч; 1;к—время работы тепловоза на к-ой позиции, ч.
Для маневровых тепловозов нормативные (СО(Н)), удельные (СО(УА)) и предельно-допустимые значения выбросов оксида углерода (СО(ПР)) и оксидов азота (ГчЮх(Н), ЫОх(УА), ЫОх(ПР)) для выбранного режима испытаний, рекомендуемые различными нормативными документами, приведены в табл. 2.
Данные, представленные в таблице, рассчитаны с учетом эффективной мощности и удельного расхода топлива дизелем для заданных позиций конт-. роллера машиниста. Предельные значения количества вредных выбросов в отработавших газах тепловозов соответствуют значениям, представленным в технической документации пунктов экологического контроля (ПЭК).
Анализируя содержание 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, учесть которые при проведении контрольных испытаний практически невозможно, это:
— условия окружающей среды, температура, барометрическое давление и относительная влажность
воздуха) при проведении испытаний и качество используемого топлива;
— качество настройки дизель-генераторной установки тепловоза и его экономические характеристики для номинального и промежуточных режимов работы;
— качество протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля (значения термодинамических параметров в характерных точках рабочего цикла) и идентичность рабочего процесса по цилиндрам в многоцилиндровом дизеле и т. д.
Анализ экспериментальных методов, используемых в настоящее время для контроля количественного состава продуктов сгорания топлива в дизельных двигателях, показал, что в локомотивных депо сети дорог ОАО «РЖД» отсутствуют достаточно эффективные методы для контроля экологических характеристик дизельных двигателей способных учесть приведенные выше факторы и имеющие низкие капитальные и эксплуатационные затраты.
Однако, несмотря на наличие ряда экспериментальных методов контроля экологических параметров транспортных двигателей, следует считать, что наиболее надежными, наиболее точными, наиболее дешевыми и наименее трудоемкими могут являться аналитические методы оценки количества продуктов сгорания в цилиндре двигателя. Естественно, что эти методы должны базироваться на реакциях окисления составляющих топлива кислородом воздуха, протекающих при высоких, переменных, давлениях и температурах в замкнутом, переменном во времени, объеме цилиндра.
В общем случае количество горючей смеси М, в цилиндре двигателя определяется, кмоль/кг:
Mj = aL0 =
- a(0,397C + 1,19Н + 0,149S - 0,1490), (2)
где С, Н, S, О — доли горючих элементов в составе топлива.
Согласно известным теоретических положений [2 — 3] для i-й позиции контроллера машиниста тепловоза продукты полного сгорания топлива, поступивших с воздухом, кг/ч:
МСОг = 0,083СЫе|Ье^СО2; (3)
MH2O=0,5HNeibeimH2O; (4)
M02 =Ol21(a-l)L0Nelbe1m0a; MSOa=0l0312SNe1belmSO2; MN =0,79aLoNeibeimN ,
(6) (7)
где тС02,тС02,тн20,т02,т502,тЫ2 — молярные массы углекислого газа, водяного пара, кислорода, оксида серы и азота, соответственно, кг/кмоль.
В выражениях (3) —(7), описывающих процесс полного сгорания топлива, отсутствуют термодинамические параметры, характеризующие процесс выгорания топлива в цилиндре двигателя такие как: продолжительность сгорания; зависимость коэффициента избытка воздуха, давления и температуры в цилиндре двигателя от времени или от угла поворота коленчатого вала дизеля. Очевидно, предполагается, что процесс сгорания топлива в цилиндре двигателя мгновенный и коэффициент избытка воздуха, давление и температура рабочего тела в цилиндре постоянные и достаточные, чтобы обеспечить полное сгорание топлива.
Тем не менее результаты расчетов по выражениям (3) — (7) могут быть полезны для ориентировочной оценки качества работы транспортных двигателей в условиях эксплуатации и характеризуют максимально возможное количество парниковых газов (С02, Н20) в продуктах сгорания.
По результатам сравнения количества продуктов сгорания, полученного по выражениям (3) — (7) при определенных значениях с замеренными
(каким-либо способом) значениями Мсо2, МН20, Мо2,
Mso0, MN
можно судить о качестве и полноте сгора-
ния топлива в цилиндре двигателя, то есть о качестве протекания рабочего процесса.
Известно, что даже при идеальной организации рабочего процесса в цилиндре дизеля достичь полного сгорания топлива практически не удается, причинами чего являются:
— локальный недостаток кислорода в зоне горения вследствие несовершенства смесеобразования, то есть неоднородности горючей смеси;
— недостаточность времени для сгорания рабочей смеси в цилиндре двигателя при увеличении частоты вращения коленчатого вала;
— значительное количество переходных процессов энергетической установки в условиях эксплуатации, то есть увеличение времени работы дизеля с обедненными или обогащенными рабочими смесями и т.д.
При расчете количества продуктов неполного сгорания топлива пренебрегают содержанием кислорода, метана и других углеводородов и принимают продукты сгорания, состоящие из пяти компонентов — С02, СО, Н20, 02, N2. При условии общего недостатка воздуха в цилиндре двигателя, т. е. при а< 1, для расчета продуктов сгорания используется система уравнений:
Мсо2 + Мсо = 0,083С; (8)
МН20 + МН2 = 0,5Н; (9)
Мсо2 + 0,5МСО + 0,5МН2О = = 0,2 laL0 4- 0,03120; (10)
MN2 = 0,79ccLo; (И)
Для расчета эксплуатационных экологических характеристик дизелей серийных тепловозов использован метод равновесного состава, преимущества которого очевидны по следующим причинам:
— при расчете продуктов сгорания учитывается элементарный состав топлива, возможен расчет продуктов сгорания для дизельного, газового и других видов углеводородного топлива состава С + Н + + 0 + Б=1;
— состав и количество составляющих элементов в продуктах сгорания рассчитываются с учетом изменения термодинамических параметров рабочего тела (доля сгоревшего топлива, давление, температура, объем цилиндра, коэффициент избытка воздуха и т.д.) в процессе выгорания топлива в цилиндре двигателя;
— по результатам математического моделирования параметров рабочего цикла ДВС, в основу которого положены результаты контрольных или реостатных испытаний определяется полнота сгорания топлива в цилиндре двигателя, на основании чего корректируется состав и количество продуктов сгорания.
В общем случае, согласно работе [4], в составе отработавших газов при сгорании дизельного топлива состава Н + С + 04-5=1 может содержаться 36 элементов, для определения количества которых используются четыре уравнения материального баланса, записанные в виде:
= 85/8с = 0,37469(Б/С) г (13)
уР= 38/3С =0,0839(С/Н); (14)
сср= 85/50 =1/(2 + (1/2ур))); (15)
(Зр= Б0/8М =1,1082(0,21+0), (16)
и уравнение Дальтона
¡=1
где п — количество элементов в продуктах сгорания дизельного топлива; 80, 5С, 5Н, — количество атомов соответствующих элементов в продуктах сгорания.
Количество атомов соответствующих элементов в уравнениях (13) — (17) могут быть выражены через парциальные давления для соответствующего термодинамического состояния рабочего тела в цилиндре двигателя, тогда:
50-Р0 + 2Р02 + ЗРоэ + Рон + Р02Н + Рсо +
2Рсо2 + 2^О2+РЫО; (18)
^с Рс Рсо Рсн4 Phcn + Pcs Pcs2 Pcos
-Р _L_p _L_p _1_р I р _L
_1_р _l_p i р
Г Г Н2СО ^ Г С2Н ~ Г С2Н2'
SH = рн + 2РШ + Рон + 2РШО + 4РСН4 +
4- зр + р
1 NH3 1 HCN'
(20) (21)
мН2=
= [- 12,01(Н/С)2 + 7,22(Н/С) -0,43б]-Мс
(12)
S =Р + Р +Р 4-Р +Р +P
rS2~ rSO ~ rS02 ' rS03 ~ rS20
P +P +
1 HS 1 1 H2S
+ P„
P _L p _L p
A CS 1 CS2 ~ ^COS-
(22)
Таблица 3
Количество продуктов сгорания топлива в дизеле 6ЧНЗ 1,6/33 для номинального режима работы
Наименование продуктов сгорания Количество продуктов сгорания, кг/ч Наименование продуктов сгорания Количество продуктов сгорания, кг/ч
Кислород 02 8,9095-102 Оксид азота N0 5,5976-10°
Озон Оэ 1,2247-105 Диоксид азота И02 0,3789-10°
Водород Н2 2,1444-10° Циан СЫ 2,2123-Ю18
Гидроксил ОН 5,6553 10"2 Формил НСО 1,3984-Ю11
Вода Н20 9,6511-Ю1 Формальдегид Н2СО 4,6094-10"15
Диоксид углерода С02 2,4588-Ю2 Аммиак ЫН3 1,2539-Ю10
Оксид углерода СО 6,6939-10'4 Синильная кислота НСЫ 1,2330-Ю16
Одноатомный углерод С 0,1750-10° Двухатомная сера Б2 1,4528 10°
Двухатомный азот Ы2 4,7558-Ю3 Оксид серы 50 1,3344-Ю"15
Одноатомный азот N 1,0542-10 10 Диоксид серы Б02 1,7553-10"9
Примечание. Мощность дизеля Ые = 883 кВт, Удельный расход топлива Ье = 0,278 кг/(кВт-ч).
Значения парциальных давлений ¿-го продукта сгорания для ]-й фазы сгорания Рг^ определяются в результате совместного решения уравнений (13) — (17), предварительно рассчитав константы равновесия реакций диссоциации газов при сгорании топлива, которые представляют собой отношение парциальных давлений отдельных элементов смеси и формируются по правилам, приведенным в работе [3 — 4].
Значения парциальных давлений отдельных компонентов продуктов сгорания, приведенных в выражениях (18) — (22) и из работы [4] определяются по известной температуре сгорания с использованием констант равновесия реакций диссоциации газов
расчетного интервала времени ]и—^ происходит вследствие выделения тепла при сгорании топлива, теплообмена рабочего тела со стенками цилиндра, газового обмена между объемом цилиндра впускными и выпускными системами, изменения состава рабочего тела и т. д.
При расчете эксплуатационных экологических характеристик серийных транспортных дизелей параметры процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя можно оценивать с использованием уравнения И. И. Вибе [3]:
= 1-е'
-6,908(]/уш+1
(26)
1одК| = К0 + К,1пХ + К2Х"2 + К3Х1 + К4Х +
+ к5х2+ к6х3+ к7х4 + к8х5+ + кчх6+к1пх7,
(23)
где X = 1^/1 ООО— температура рабочего тела в цилиндре двигателя в ]-й момент процесса сгорания топлива, К; К0, К1(..., К10 — константы равновесия реакций диссоциации газов [2, 3].
Тогда количество ьго продукта сгорания топлива для ]-го момента процесса сгорания т.4 определяется с использованием уравнения состояния газов, кг:
где — молярная масса ьго продукта сгорания, кг/ кмоль; V, Т. — объем цилиндра и температура рабочего тела в ]-й момент процесса сгорания; К — универсальная газовая постоянная.
Последовательное суммирование количества продуктов сгорания по интервалам времени (углу поворота коленчатого вала) от начала сгорания топлива (3 = 0) до его окончания Ц =]2) позволяет определить количество ¿-го продукта сгорания и общее количество отработавших газов за рабочий цикл двигателя:
нх П
ы
(25)
где х] — доля топлива, сгоревшего к моменту времени ]; ]г — продолжительность сгорания топлива; ] — текущее время сгорания; т — показатель сгорания.
Для серийных конструкций тепловозных двигателей уравнение (26) целесообразно представить в виде:
э-1п(1-Х7)(У]г)т+1
X; = 1-е
(27)
где Х2 — доля топлива, сгоревшего за рабочий цикл.
Для расчета термодинамических параметров рабочего цикла от угла поворота коленчатого вала дизеля процесс сгорания необходимо разбить на равные интервалы времени (интервал угла поворота коленчатого вала) Аф, тогда давление Рт и температура Т + 1 газов в конце каждого интервала определяются по известному значению давления Р| и температуры в начале интервала при изменении объема цилиндра от V. до ЛЛ +1:
0,0854д2ДХ(1+1)_1 +Р4(К
тд>1 +
т
11+1
8-1 2а(ср|+1
Р.Р(ЫН
1 +
8-1 2а(ф,)
(29)
Изменение параметров рабочего тела (объем, давление, температура, доля сгоревшего топлива и коэффициента избытка воздуха) в цилиндре двигателя для
где доля тепла, использованного на интервале времени (± —I— 1) — 1;
лхп
-1п(1-Х2)
. Ч>7. )
-1п(1-Хг
Фгут+1 ;
(30)
к,
-(i+lH
;Cp(1+1H + Cv(i+1H CP(i+l)-i "Cv(i+i)-
(31)
где СрГ Су— средние теплоемкости рабочего тела на исследуемом участке; РП+1Н — изменение химического коэффициента молекулярного изменения на анализируемом интервале; фи ср. + 1 — углы поворота коленчатого вала, соответствующие началу и концу рассматриваемого участка.
Объемы V., У1+1 определяются с использованием кинематической функции характеризующей изменение хода поршня дизеля от угла поворота коленчатого вала. Для момента начала сгорания удельный объем рабочего тела определяется с учетом утла опережения подачи топлива фоп и периода задержки воспламенения т.. Для каждого момента времени, или для каждого угла поворота коленчатого вала, химический коэффициент молекулярного изменения определяется согласно [3, 4].
Согласно теоретическим исследованиям [3] установлено, что количество топлива, сгоревшего в цилиндре дизеля при идеальной организации рабочего процесса, не превышает 99,9 %, тогда несгоревшее топливо приводит к изменению количества свободного углерода (сажи), серы, водорода и кислорода в продуктах сгорания.
Используя метод равновесного состава и параметры процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя, рассчитанные по предложенной выше методике, определено количество продуктов сгорания топлива для дизеля 6ЧНЗ 1,6/33 (ПД1М) для номинального режима работы (табл. 3). В таблицу не включены продукты сгорания, количество которых в отработавших газах не превышает 10~20 кг/ч, это: метан, серо-окись азота, метин, метилен, этинил и другие элементы.
Таким образом, использование математической модели, оценивающей изменение параметров выго-
рания топлива в цилиндре двигателя, и метода расчета продуктов сгорания топлива по условиям равновесия, позволит отказаться от газоанализаторов, обеспечить оперативность экологического контроля, оценить техническое состоянии транспортных двигателей и качество протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя.
Библиографический список
1. Теенер, П. А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы / П. А. Теенер. — М.: Химия. 1972. — 136 с.
2. Марков, В. А. Токсичность отработавших газов дизелей / В. А. Марков, Р. М. Баширов, И. И. Габитов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 2002. - 376 с.
3. Вибе, И. И. Новое о рабочем цикле двигателей / И. И. Вибе. — М.: 1962. - 270 с.
4. Сковородников, Е. И. Методы оценки и пути снижения экологического воздействия тепловозных дизелей на окружающую среду : учеб. пособие / Е. И. Сковородников. — Омск : ОмГУПС, 1995. - 104 с.
АНИСИМОВ Александр Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС).
МИНИТАЕВА Алина Мажитовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Прикладная математика и информационные системы» Омского государственного технического университета. ПАНОВА Надежда Сергеевна, аспирантка кафедры «Локомотивы» ОмГУПС.
Адрес для переписки: e-mail: alinaflower@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 12.05.2010 г. © А. С. Анисимов, А. М. Минитаева, Н. С. Панова
Книжная полка
Тихонов, А. И. Информационно-измерительные и электронные приборы и устройства [Текст]: практикум / А. И. Тихонов, С. В. Бирюков, А. В. Бубнов; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 255 с. -18ВЫ 978-5-8149-0994-7.
Практикум содержит программный материал, включающий описание, пояснения, краткие теоретические сведения, а также порядок выполнения стендовых (приборных) и компьютерных (виртуальных) лабораторных работ. Для удобства при подготовке к занятиям приведен материал по выполнению самостоятельных индивидуальных заданий, предусмотренных учебной программой.
Федотов, А. В. Основы теории надежности и технической диагностики [Текст]: конспект лекций / А. В. Федотов, Н. Г. Скабкин; ОмГТУ. - Омск, 2010. - 61 с.
Приводятся основные понятия теории надежности, качественные характеристики надежности. Рассмотрены математические основы теории надежности, расчеты показателей надежности, основные понятия, определения и задачи технической диагностики.
Федоров, В. Л. Теория автоматического управления [Текст]: учеб. пособие / В. Л. Федоров, А. В. Бубнов ; ОмГТУ. - Омск, 2010. - 115 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 113. - ISBN 978-5-8149-0905-3.
Рассмотрены вопросы анализа и синтеза систем автоматического управления. Использованы наиболее значимые материалы из изданных в настоящее время учебников по ТАУ для вузов.
