ВЛИЯНИЕ НАГАРООБРАЗОВАНИЯ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ С БЕНЗИНОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

5. Golushkova E., Sagachenko T. Transformation of nitrogen bases in lipids from recent sediments under late diagenesis simulating conditions. // Progress in oilfield chemistry.V.8. 20095. - p. 295 - 300.

6. Конторович А. Э. Очерки теории нафтидогенеза. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2004. -545 с.

7. Гордадзе Г. Н. Термолиз органического вещества в нефтегазопоисковой геохимии. М.: ИГтРГИ. 2002.- 336 с.

8. Баженова О. К., Бурлин Ю. К., Соколов Б. А., Хаин В. Е. Геология и Геохимия нефти и газа. -М.: Изд-во МГУ.2000.- 384 с.

9. Безингер Н. Н., Гальперн Г. Д. Функциональный анализ азотистых оснований и аминов и групповой анализ азотистых соединений нефти. / Методы анализа органических соединений нефтей и их производных. - М.: Изд-во АН ССР.1960. - С.141 - 149.

10. Кейтс М. Техника липидологии. - М.: Мир, 1985. - 320 с.

Сведения об авторах

Сагаченко Татьяна Анатольевна., д. х. н., вед.научный сотрудник, Институт химии нефти СО РАН, г. Томск, тел.: (382-2) 49-21-44

Голушкова Евгения Борисовна, к. х. н., доцент, Томский политехнический университет, тел.: (382-2) 49-21-44

Чешкова Татьяна Викторовна, к. х. н., младший научный сотрудник, Институт химии нефти СО РАН, г. Томск, тел.: (382-2) 49-21-44

Sagachenko T. A., Doctor of Chemistry, leading scientific worker, Institute of Petroleum Chemistry, SB of RAS, Tomsk, phone: +7(3822) 49-21- 44

Golushkova E. B., Candidate of Sciences in Chemistry, associate professor, Tomsk Polytechnic University, phone: (382-2) 49-21-44

Cheshkova T. V., Candidate of Sciences in Chemistry, junior scientific worker, Institute of Petroleum Chemistry, SB of RAS, Tomsk, phone: +7(3822) 49-21- 44

УДК 629.113

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НАГАРООБРАЗОВАНИЯ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ С БЕНЗИНОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Е. Р. Магарил, Р. З. Магарил, А. В. Чендарев, Н. В. Корзун

(Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина; Тюменский государственный нефтегазовый университет)

Ключевые слова: нагарообразование, теплопроводность, теплоотвод, максимальная температура, бензиновый двигатель, экологическая безопасность Key words: сатЬотгаНоп, thermal conductivity, heat sink, maximal temperature, gasoline engine, environmental safety

Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами автомобилей являются основным источником загрязнения воздушного бассейна крупных городов. В значительной степени негативные последствия эксплуатации автомобилей обусловлены низким качеством моторных топлив России, которое приводит, в частности, к повышенному нагарообразованию в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Рассмотрим влияние отложений нагара на экологическую безопасность и эффективность эксплуатации автомобилей с бензиновыми двигателями.

Нагар является быстро нагревающимся теплоизолятором, так как имеет коэффициент теплопроводности в 1 -2 • 103 раз меньший чем у металла и примерно в три раза меньшую теплоемкость [1, 2]. Слой нагара из-за теплоизоляционных свойств даже при малой толщине способствует повышению температуры стенок двигателя. После отложения на рабочих поверхностях в двигателе нагара тепловой поток, переданный к стенкам, проходит последовательно через слой нагара, затем через слой металла к охлаждающей жидкости. Запишем уравнение теплопроводности для процесса переноса тепла через стенку цилиндра после отложения на ней нагара:

_ 1 ^мет ТОЖ ) о_ _ i С^шг Тмет) о_ / л \

- Амет -1-ЛТ-Лнаг-j-ST , UJ

l мет lнаг

где Тмег, Тнаг, ТОЖ - температуры внутренней поверхности цилиндра, контактирующей со слоем нагара; поверхности нагара, контактирующей с объемом камеры сгорания; охлаждающей жидкости соответственно К; Хмвт - коэффициент теплопроводности металла, так как стенки цилиндра

№ 3, 2011

Нефть и газ

87

двигателя изготовлены из алюминиевого сплава, принимается равным его значению для алюминия, Амег= = 2,18 Дж/смсК [3]; - коэффициент теплопроводности нагара, Дж/см-с-К; 1мет, 1наг - толщина стенки цилиндра и слоя нагара, соответственно, см; Б - площадь поверхности стенки цилиндра, см2; т - время, с.

Тогда температуру стенки после отложения на ней нагара (Тнаг) можно рассчитать

I I

Т _Т л | наг мет \_ наг мет т

тнаг ~ 1 мет(1 + , , ) . , 1ОЖ ■ (2)

2наг '1 мет 2наг '1 мет

Коэффициент теплопроводности нагара определяется исходя из его состава. Рентгено-фазовый анализ образцов нагара, взятых со стенок бензиновых двигателей внутреннего сгорания, показывает содержание значительной доли углерода в аморфном состоянии, а также наличие его предкристаллических структур. Примем значение коэффициента теплопроводности углерода в предкристаллическом состоянии равным его значению для графита. Пусть доля углерода в аморфном состоянии составляет 50%. Тогда, если АС(аморф) = 0,0017 Дж/смсК и АС(графит) = 0,049 Дж/смсК [4], коэффициент теплопроводности нагара:

Анаг = 0,5Ас(аморф) + 0,5Ас(графит) = 0,025 Дж/смсК.

Используя уравнение (2), определим температуру нагара при изменении толщины его слоя, температуры охлаждающей жидкости. Как видно из результатов расчета (табл. 1), с увеличением слоя нагара температура стенки цилиндра существенно повышается.

Таблица 1

Температура внутренней поверхности стенки цилиндра (1мет=0,6 см) до и после отложения слоя нагара, К

Чистая стенка 1наг=0,01см 1наг=0,02см

Тож, К Тож, К

358 362 368 373 378 358К 362К 368 373 378К

423 517 510 503 496 488 612 597 583 568 554

448 579 571 564 557 550 709 695 680 666 651

473 640 633 626 618 611 807 793 778 764 749

498 701 694 687 680 672 905 890 876 861 847

523 763 755 748 741 734 1002 988 973 959 944

Отвод тепла излучением из объема камеры сгорания к стенке описывается законом Сте-фана-Больцмана [3]:

( , - л4 , лЛ Т ">

&изл

л. 100

-е

_2_

100

-5-т,

(3)

где е1,2 - степень черноты соответственно излучающего и поглощающего тела; Т12- температура соответственно излучающего и поглощающего тела, К; Б - площадь поверхности излучающего тела см2; Т - время, с.

Тогда отношение теплоты, переданное излучением к стенке с нагаром и без нагара, определяется следующим выражением:

( \4 ч4Л

в,

наг изл

(т

-1 пл п\ 100

(т , 1100 )

наг I

ви

мет и зл

(

( т i4

е i i -е

пл мет

т

100

4

(4)

где епл, мет, наг - степень черноты соответственно пламени, чистой стенки и нагара; Т пл, мет, наг - температура соответственно пламени, чистой стенки и нагара, К. Принимаем с = с' = 05 р =0 95

опл о мет 0,5, онаг °,95-

Результаты расчетов влияния отложения нагара на теплоотвод излучением из объема камеры сгорания к стенке цилиндра в зависимости от толщины его слоя, температуры внутренней поверхности чистой стенки, представлены (рисунок).

е

1

- е

88

Нефть и газ

№ 3, 2011

Таким образом, при образовании нагара на стенках цилиндра из-за снижения теплоотвода от внутренней поверхности стенок камеры сгорания к охлаждающей жидкости и повышения температуры стенок снижается на 5-10% и более доля теплоты, отводимой из объема камеры сгорания к стенкам. В результате увеличивается максимальная температура в цилиндре.

Толщина слоя нагара, см

Рисунок. Влияние нагара на теплоотвод из объема к стенкам камеры сгорания (ТОЖ=95°С)

По мере накопления нагара в камере сгорания и достижения некоторого равновесия по его толщине для обеспечения бездетонационной работы двигателя, требуемое октановое число бензина повышается, как известно, до 10 пунктов [5-7]. Это объясняется увеличением скорости реакций в соответствии с уравнением Аррениуса и, что более существенно, повышением концентрации ионов и электронно-возбужденных молекул, вступающих в реакции со значительно большей скоростью, чем радикалы [8]. Устранение нагарообразования должно, таким образом, привести, благодаря смягчению температурного режима в двигателе, к снижению требований к октановому числу используемого бензина до 10 пунктов. Оксид азота в двигателе образуется по реакции:

N2 +02 2Ш - 181 кДж Используя кинетические данные [9], оценим изменение скорости прямой реакции, а также равновесной концентрации оксида азота при снижении температуры, считая, что концентрации азота и кислорода в газовой смеси при различных температурах одинаковы. Результаты расчетов представлены в табл. 2. Со снижением температуры скорость реакции образования оксида азота резко снижается, равновесная концентрация N0 при сильной зависимости константы равновесия от температуры быстро падает.

Таблица 2

Изменение скорости реакции образования оксида азота и его концентрации в равновесной смеси в зависимости от максимальной температуры в двигателе

(кТс - константа скорости реакции М2 +02 —*-2М0, гГ - скорость реакции,

т Т

кТ - константа равновесия, Сыо - равновесная концентрация оксида азота

р

при температуре Т)

Т, К кТ , см3/мольх кТ _ ГТ ^2500 ^2500 1 Т кР кТ СТ р _ Сыо

7 2500 2500 кр Сыо

2500 105-21 1 ^0-2,31±О,3О 1

2250 104-08 0,074 ^0-2,71±О,31 0,40±0,01

2000 Ю-ш 4,5-10"7 ^0-3,17±О,33 0,14±0,01

При сгорании топлива при стехиометрическом (а=1) соотношении воздух: топливо и при избытке кислорода (а>1) содержание оксида углерода в отработавших газах определяется диссоциацией углекислого газа при максимальных температурах, достигаемых в двига-

№ 3, 2011

Нефть и газ

89

теле [10]. При давлении 1 МПа в продуктах горения углеводородов в кислороде концентрация оксида углерода в равновесной смеси составляет 18 % об. при 2000К и 23% об. при 3000К. При максимальной температуре пламени концентрация оксида углерода велика и тем выше, чем выше температура. За фронтом пламени оксид углерода окисляется до диоксида, но с понижением температуры скорость реакции быстро убывает и реакция «замораживается».

Таким образом, устранение нагарообразования в двигателе, значительно понижающее максимальную температуру в камере сгорания, приведет к существенному сокращению выбросов оксидов азота и углерода с отработавшими газами.

Кроме того, устранению нагара сопутствует почти полное устранение выбросов с отработавшими газами автомобилей с бензиновыми ДВС полициклических ароматических углеводородов, являющихся предшественниками нагара, в том числе сильнейшего канцерогена -бенз(а)пирена.

Представляется перспективным каталитическое ускорение протекания реакций газификации и окисления нагара в двигателе, что существенно повысит экологическую безопасность и эффективность эксплуатации автомобилей с бензиновыми двигателями. Снижение выбросов оксидов углерода, азота, полициклических ароматических углеводородов, требований к октановому числу бензина при устранении нагарообразования в двигателе установлено экспериментально [10].

Выводы

• Теоретически показано, что устранение отложений нагара в бензиновых двигателях приводит к снижению выбросов оксидов углерода и азота.

• Объяснено повышение требований двигателя к октановому числу бензина с отложением в двигателе нагара.

Список литературы

1. Сюняев З. И. Производство, облагораживание и применение нефтяного кокса / З. И. Сюняев/ -М., 1973.

2. Сюняев З. И. / З. И. Сюняев//Нефтяной углерод. - М., 1980.

3. Физическая энциклопедия. Т. 1 / гл. ред. А. М. Прохоров.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - 699 с.

4. Физическая энциклопедия. Т. 5 / гл. ред. А. М. Прохоров.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.

- 760 с.

5. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение: справочник / Под ред. Б. В. Лосикова. - М.: 1966. - 776 с.

6. Грузе В. А. Технология переработки нефти/ В. А. Грузе, Д. Р. Стивенс//- Л.: Химия.1964. -607 с.

7. Гуреев А. А. Автомобильные бензины. Свойства и применение/ А. А. Гуреев, В. С. Азев// - М.: Нефть и газ. 1996. - 444 с.

8. Кондратьев В. Н. Кинетика и механизм газофазных реакций/ В. Н. Кондратьев, Е. Е. Никитин//

- М.: Наука, 1974. - 558 с.

9. Кондратьев В. Н. Константы скорости газофазных реакций: справочник/ В. Н. Кондратьев// -М.: Наука, 1970.

10. Магарил Е. Р. Влияние качества моторных топлив на эксплуатационные и экологические характеристики автомобилей: монография/ Е. Р. Магарил// - М.: КДУ, 2008. - 164 с.

Сведения об авторах

Магарил Елена Роменовна, д.т.н., заведующая кафедрой «Экономика химической промышленности» Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, тел.: (3433)743320

Магарил Ромен Зеликович, профессор, д.т.н., Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел. : 8 (3452) 25-69-49, htng@rambler. ru

Чендарев Артем Владимирович, аспирант, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, тел.:(3433)743320

Корзун Нелли Всеволодовна, д. х. н., профессор, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3433)256944

Magaryl E. R., PhD, head of Department «Economics of Chemical Industry», Ural Federal University named after B. N. Eltsin, first President of Russia, phone: (3433)743320

Magaryl R. Z., PhD, professor, Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8 (3452) 25-69-49, htng@rambler. ru

Chenderev A. V., postgraduate student, Ural Federal University named after B. N. Eltsin, first President of Russia, phone: (3433)743320

Korzun N. V., PhD, professor, Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8 (3452) 25-69-49

90

Нефть и газ

№ 3, 2011