CC BY
37
Zykin, E. Vetrova. // Transportation Research Procedía 12th International Conference «Organization and Traffic Safety Management in Large Cities», SPbOTSIC-2016. 2017. P. 295300.
8. Yankov G.G. Mathematical Model and 3D Numerical Simulation of Heat and Mass Transfer in Metal-hydride Reactors // Proceedings of Taiwan-Russia Joint Symposium on Hydrogen & Fuel Cell Technology Application. Taiwan Institute of Economic Research, 2008. P. 362-375.
УДК 629.015
Доктор техн. наук В.Е. КОЛПАКОВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Канд. экон. наук И.В. БЕЛИНСКАЯ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ И МОБИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОТРАКТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА ВОДОРОДА
Одной из важнейших экологических проблем современности является загрязнение атмосферного воздуха: так, 91,3% загрязнений приходится на автомобильный транспорт; 3,7% - на железнодорожный транспорт; 2,7% и 0,9% - на морской и речной транспорт соответственно. Эксплуатация транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, в закрытых помещениях, в рабочей зоне (в том числе кратковременная) создает серьезную угрозу жизни и здоровью.
Цель исследования - выявление направлений повышения экологической безопасности сельскохозяйственной техники путем использования газомоторных топлив для автотракторных двигателей, а также использования водорода, полученного способом разложения гидрореагирующими металлами.
Материалы, методы и объекты исследования. Работа над улучшением экологических показателей автотракторных двигателей получила значительный импульс в 1988 году в результате утверждения регламента, ограничивающего использование крупнотоннажных автомобилей с высоким содержанием окиси углерода (СО), остаточных углеводородов (НС), летучих органических веществ (NMHC), оксидов азота (NOx) и содержание твердых частиц (PM). При этом ограничения были следующими (табл. 1, 2, 3, 4,
5):
На территории России в настоящее время действует экологический стандарт «Евро-4». Ввоз автомобилей, не соответствующих данному стандарту, на территорию страны запрещен.
Основной российский производитель автомобилей «АвтоВАЗ» в декабре 2011 года начал производство автомобилей «Lada», полностью соответствующих стандартам «Евро-4». «Лады», производящиеся для экспорта, были переоборудованы под «Евро-4» еще в 2005 году.
Стремление повысить экономичность дизельных двигателей привело к увеличению температуры цикла и, как следствие - к снижению уровня концентраций окиси углерода (СО), что неожиданно привело к повышению концентрации оксидов азота (N0^. Как
известно, NOx - сильный канцероген, приводящий к онкологическим заболеваниям [1]. Таким образом, сложилась противоречивая ситуация: два-три десятилетия назад приобретение автомобилей с дизельными двигателями приветствовалось в европейских странах, тогда как сегодня владельцы автомобилей с дизелем в некоторых странах Евросоюза подвержены санкциям в виде дополнительных налогов и ограничений во въезде в центральные районы городов. В результате такой политики доля легковых автомобилей с
дизельным двигателем в странах Евросоюза упала до 55-80% [2]. Не лучше сложилась ситуация с коммерческими автомобилями, оборудованными дизельными двигателями; однако, поскольку таким автомобилям в ближайшее время не найдется альтернативы, этот сегмент автомобильного рынка не претерпит значительных изменений.
Таблица 1. Экологические стандарты двигателей легковых автомобилей
Стандарт Период действия стандарта СО, г/км ^, г/км НС, г/км РМ, г/км ММНС г/км
Дизельные двигатели
Евро - 1 июль 1992 г. 2,72 — 0,14 —
Евро-2 январь 1996 г. 1,0 — 0,08 —
Евро-3 январь 1996 г. 0,64 0,5 0,05 —
Евро-4 январь 2005 г. 0,5 0,25 0,025 —
Евро-5 сентябрь 2009 г. 0,5 0,18 0,005
Евро-6 сентябрь 2014 г. 0,5 0,08 0,05
эензиновые двигатели
Евро - 1 июль 1992 г. 2,72
Евро-2 январь 1996 г. 2,2
Евро-3 январь 1996 г. 1,3 0,15 0,2
Евро-4 январь 2005 г. 1,0 0,08 0,1
Евро-5 сентябрь 2009 г. 1,0 0,06 0,1 0,05 0,068
Евро-6 сентябрь 2014 г. 1,0 0,06 0,1 0,05 0,068
Таблица 2. Экологические стандарты для легких коммерческих
автомобилей <1305 кг
Стандарт СО, г/км ^ , г/км НС, г/км РМ, г/км ММНС г/км
Дизельные двигатели
Евро-5 0,5 0,18 — 0,05 —
Евро-6 0,5 0,08 — 0,05 —
Бензиновые двигатели
Евро-5 1,0 0,06 0,1 0,05 0,068
Евро-6 1,0 0,06 0,1 0,05 0,068
Таблица 3. Экологические стандарты для легких коммерческих автомобилей (1305-1760 кг)
Стандарт СО, г/км ^ , г/км НС, г/км РМ, г/км ММНС г/км
Дизельные двигатели
Евро-5 0,63 0,235 — 0,05 -
Евро-6 0,63 0,105 — 0,05 —
Бензиновые двигатели
Евро-5 1,81 0,075 0,13 0,05 0,09
Евро-6 1,81 0,075 0,13 0,05 0,09
Для Российской Федерации достаточно серьезным препятствием на пути достижения высоких экологических стандартов остается низкое качество топлива. Согласно экологическому стандарту Евро-5, по техническому регламенту коммерческий транспорт
должен оснащаться анализаторами, задача которых автоматически ограничивать мощность двигателя вплоть до полной остановки при низком качестве топлива [3].
Несмотря на технологическое отставание, российские автопроизводители продолжают подготовительную работу по переходу к Евро-6.
Так, инженеры Ярославского «Автодизеля» создали семейство двигателей ЯМЗ 530 стандарта Евро-4 с возможностью дальнейшего повышения экологических показателей.
Таблица 4. Экологические стандарты для легких коммерческих автомобилей
(1760-3500 кг)
Стандарт СО, г/км N0, , г/км НС, г/км РМ, г/км ММНС г/км
Дизельные двигатели
Евро-5 0,74 0,280 - 0,05 -
Евро-6 0,74 0,125 - 0,05 -
Бензиновые двигатели
Евро-5 2,27 0,082 0,160 0,05 0,108
Евро-6 2,27 0,082 0,160 0,05 0,108
Отечественные автопроизводители заявляют о том, что готовы ускорить переход на Евро-6 в случае необходимости, однако без повышения качества топлива это не имеет смысла. Нефтяники испытывают определенные трудности с реконструкцией нефтеперерабатывающих заводов, что объективно объясняется высокой волатильностью цен на нефть.
В конце 70-х годов в научных кругах появилась концепция об альтернативной замене жидкого нефтяного топлива газовым топливом. В настоящее время такой подход активно поддерживается газодобывающими компаниями.
Согласно этому, газовое топливо обладает тремя безусловными преимуществами: экономическими, энергетическими, экологическими.
Таблица 5 . Экологические стандарты для тяжелых автотракторных дизельных двигателей
Стандарт СО, г/кВт-ч г/кВт-ч НС, г/кВт-ч РМ, г/кВт-ч
Евро-5 1,5 2,0 0,46 0,02
Евро-6 1,5 0,4 0,13 0,01
Действительно, в настоящее время газовое топливо по рыночной стоимости значительно уступает дизельному топливу и автомобильным бензинам, однако, львиная доля этого преимущества связана с акцизами на автомобильные топлива, например: акциз на бензин пятого класса на 1 января 2018 года составляет около 11213 руб. за тонну. Энергетическое преимущество природного газа еще менее значительно. Как известно, теплотворная способность дизельного топлива составляет около 10300 Ккал/кг; бензина -около 10500 Ккал/кг в зависимости от марки, в то время как теплотворная способность природного газа находится в пределах 10800 Ккал/кг, что позволяет достигнуть преимущества не более 5%. Кроме того, использование газа в качестве альтернативного топлива требует обязательного переоборудования автомобиля, что в случае использования металлических баллонов приводит к увеличению массы, а падение мощности двигателя на 10% ставит под сомнение энергетическое преимущество как таковое [4]. Эксплуатация автомобилей на газовом топливе, равно как и использование газовых автозаправочных станций, связана с соблюдением повышенных мер безопасности.
Действительно, специалиста-гуманитария, как и простого обывателя, достаточно легко убедить в экологических преимуществах сгорания газа. Достаточно сравнить запах от
горения газа в бытовой газовой плите с запахом, исходящим от проезжающего грузовика, работающего на дизельном топливе или бензине. Как показывает анализ продуктов сгорания природного газа в бытовых приборах, содержание вредных веществ в три и более раз ниже, чем при сгорании традиционного топлива в ДВС. Следует учесть, что в бытовых приборах газ сгорает с большим коэффициентом избытка воздуха и в стационарном режиме. В ДВС, особенно на переходных режимах и режимах, соответствующих максимальной нагрузке, коэффициент избытка воздуха может быть равен 1 и менее. Кроме того, в природном газе содержатся искусственно добавленные вещества со специфическим неприятным запахом -одоранты. Это делается с целью повышения безопасности при утечке газа. В качестве одоранта применяют этилмеркантан - токсичное вещество, влияющее на центральную нервную систему, почки, печень и пр. При горении в цилиндрах двигателя, в отличие от сгорания в бытовых приборах, вследствие вышеуказанных факторов этилмеркаптан (С2Н5БН) полностью не сгорает [5]. Предельно допустимая концентрация меркаптана - 1 мг/л/3, порог восприятия - 0,19 мг/л/3. Таким образом, экологические преимущества использования газа в виде моторного топлива сомнительны и требуют специальных независимых испытаний с последующей оценкой воздействия на организм человека.
Зарубежные технологии, обеспечивающие выполнение экологических стандартов, позволяют ужесточать требования, по сути, создавая маркетинговый ход, вынуждающий приобретать импортные автотракторные двигатели и транспортные средства. В этих условиях наиболее эффективным может стать путь создания отечественных оригинальных технологий, позволяющих перехватить инициативу создания экологически чистых транспортных средств.
Результаты исследований. Одним из путей снижения токсичности отработавших газов (ОГ) может стать применение в качестве добавки водородного топлива [5]. Пределы воспламенения, коэффициент диффузии, скорость распространения пламени у водорода выше, чем у моторных топлив. Именно эти свойства водородно-воздушной смеси позволяют по-новому подойти к организации процесса сгорания в поршневом двигателе, существенно снизив количество выбросов вредных веществ с ОГ, и снизить расход моторного топлива. Кроме того, водород является одним из энергоемких топлив. В пересчете на условное топливо 1 тонна водорода эквивалентна 4,1 тонны условного топлива. Однако вследствие низкой плотности водорода (0,0969 кг/.И ) при нормальных условиях теплотворная
способность водородно-воздушной смеси стехиометрического состава имеет значения несколько ниже моторной топливно-воздушной смеси. Вместе с тем, использование водорода в качестве топлива имеет следующие недостатки: - низкая температура сжижения (-253°С);
-низкая плотность при нормальных условиях (в 8 раз ниже, чем у природного газа); -более взрывоопасен (образует взрывоопасные смеси в значительно большем диапазоне концентраций, чем углеводородные топлива), однако быстро улетучивается в открытых объемах, при этом взрывоопасная газовоздушная смесь не успевает накапливаться.
Таким образом, водород является перспективным энергоресурсом [4]. Однако применение водорода в качестве моторного топлива требует решения сложной задачи: разработка топливной малогабаритной системы хранения водорода и подачи водородно-воздушной смеси в двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Наиболее интересным в рамках поставленной задачи является получение водорода из воды путем ее разложения гидрореагирующими металлами. Многие металлы вступают в реакцию с водой, образуя при этом окись металла Меч или гидроокись Мет (0Нп ) и водород.
цМе +рН20 Ор + рН2 Т
(1)
До настоящего времени проводились исследования по созданию генератора водорода на основе использования сплавов алюминия, реакции которого описаны уравнениями:
2А1 +ЗН20 А12 02 + ЗН2Т (2)
В ходе выполнения испытании в качестве объекта был использован трактор Т-16 с дизелем воздушного охлаждения Д-21А (2Ч 10,5/12) (рис.1).
Рис. Экспериментальный трактор Т-16
Установлено, что при использовании 4% массового расхода водорода по отношению к дизельному топливу и примерно пятикратному расходу пара по отношению к расходу водорода, расход дизельного топлива снижается на 8-13%. В отработавших газах существенно уменьшается дымность, содержание окислов азота и углеводородов 2-2,8;2,0-2,5;10; 1,4-1,6 раза соответственно [5] (табл. 6).
К недостаткам генератора водорода можно отнести высокую стоимость устройства и энергетического сырья; повышенные меры безопасности; неопределенность по утилизации шлаков, получаемых в результате реакции.
Таблица 6. Улучшение экологических показателей автотракторного дизеля Д-21 при работе с добавлением пароводородной смеси на различных режимах работы
Снижение расхода дизельного топлива, % Снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах (ОГ), %
СО N0, НС РМ со2
8,5-12,4 86 53,4-60,5 29,1-36,0 53,2-64,3 31,2-48,4
Выводы. Разработанные положения позволяют наметить стратегию улучшения экологических и эксплуатационных показателей автотракторных энергоустановок путем применения автотракторного генератора водорода, открывающего возможность снижения концентрации вредных веществ в ОГ при работе дизеля при стохастическом характере нагрузок.
Несмотря на то, что создание линейки генераторов водорода различной производительности является наукоемкой и высокотехнологичной задачей, ее решение может дать мощный импульс развитии новых технологий, позволяющих выйти на передовые рубежи по созданию экологичных силовых энергетических установок не только в
автотракторостроении, но и на водном транспорте; транспорте горнодобывающей промышленности и других отраслях, в которых экологическим аспектам деятельности уделяется повышенное внимание.
Литература
1. Черенков В. Г. Клиническая онкология. - 3-е изд. - М.: Медицинская книга, 2010. - 434 с.
2. Европа отказывается от дизельных моторов. Официальный ресурс. Drive2ru / Режим доступа: https://www.drive2.ru/b/721798 (дата обращения: 05.09.2018).
3. Технический регламент таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» ТР ТС 018/2011 (с изм. на 11 июля 2016 года).
4. Костюшин В.М. Газ-топливо, ухудшающее экологию // Автомобильная промышленность. - 2007. - №9. - С.11-12.
5. Kolbenev I.K., Kolpakov V.E., Soldatkin A.V. Hydrogen diesel fuel engine for application on a universal tractor // Hydrogen Energy Progr. VIII. 7-th World Hidrogen Energy Conf. 25-29 September, 1988. - M. vol. 3. - Florida, USA. - P. 2095-2104.
Literatura
1. Cherenkov V. G. Klinicheskaya onkologiya. 3-е izd. - M: Medicinskaya kniga, 2010. - 4634 s.
2. Evropa otkazivaetsa ot dizelnih motorov. Oficialmiy resurs: Drive2ru / Regim dostupa: https://www.drive2.ru/b/721798 (data obrashcheniya: 05.09.2018).
3. Tehnicheskiy reglament tamogennogo souza "O bezopasnosti kolesnih transportnih sredstv" TR TS 018/2011
4. Koustushin V.N. Gaz-toplivo, ehedshaushee ekologiuy // Avtomobulnaya promishlennost. -2007. - №9. - S. 11-12.
5. Kolbenev I.K., Kolpakov V.E., Soldatkin A.V Hydrogen diesel fuel engine for application on a universal tractor // Hydrogen Energy Progr. VIII. 7-th World Hidrogen Energy Conf. 25-29 sept., 1988. - M. vol. 3. - Florida, USA. - P. 2095-2104.
УДК 631.36
Канд. техн. наук В.И. ШАМОНИН (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, e-mail: [email protected]) Канд. техн. наук А.В. СЕРГЕЕВ (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Гл. специалист Г.А. ЛОГИНОВ (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАШИНЫ ДЛЯ МОЙКИ КАРТОФЕЛЯ И КОРНЕПЛОДОВ
В современных условиях моечные машины в составе технологической линии не обладают в достаточной степени свойствами универсальности, мобильности и гибкости, что в целом приводит к неэффективному использованию оборудования. При мойке вороха различных видов корнеклубнеплодов (картофель, морковь и свекла столовые и др.) снижается качество выходной продукции, которое зависит от особенностей конструкции моечного барабана.
Необходимость создания универсальной моечной машины вызвана прежде всего увеличением ассортимента производимой продукции (до 4-5 видов сельхозкультур) и, следовательно, повышением ее годовой загрузки, что способствует в конечном итоге росту эффективности всего производства и выхода соответствующего качества получаемой готовой продукции.
