Національний університет “Львівська політехніка”

Шапко

Сергій Володимирович

УДК 629.351:621.436.068.4

Підвищення СТАБІЛЬНОСТІ

еКОЛОГіЧнИХ показників дизельного АВТОМОБіЛЯ,

ОБЛАДНАНОГО каталітичним НЕЙТРАЛІЗАТОРОМ

05.22.02 - автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” та Кременчуцькому державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Гутта Олександр Йосипович,

доцент кафедри “Автомобілебудування”,

Національний університет “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гащук Петро Миколайович,

завідувач кафедри “Експлуатація та ремонт

автомобільної техніки”,

Національний університет “Львівська політехніка”;

кандидат технічних наук, доцент

Браільчук Андрій Петрович,

доцент кафедри “Системотехніка та діагностика

транспортних машин”, Харківський національний

автомобільно-дорожній університет

Провідна установа: Східноукраїнський національний університет ім. В. Даля

Міністерства освіти і науки України, кафедра “Автомобілі”,

м. Луганськ.

Захист відбудеться 9 червня 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226, гол. корп.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 6 травня 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток транспортної системи України в напрямку європейської інтеграції вимагає дотримання встановлених норм щодо екологічної безпеки автомобільних транспортних засобів, зокрема, дизельних, які займають значне місце у пасажирських і вантажних перевезеннях. Для покращення екологічних показників дизельного автомобільного транспорту у багатьох країнах активно ведуться роботи у різних напрямках, найбільш ефективним з яких є застосування в системі випуску відпрацьованих газів (ВГ) каталітичних нейтралізаторів (КН). В Україні над цією проблемою працюють науковці у науково-дослідних інститутах, вищих навчальних закладах та інших організаціях і установах.

Значний внесок в комплексне розв’язання цієї проблеми внесли такі вчені як Варшавський І.Л., Гетьманець Г.В., Балакун О.Г., Говорущенко М.Я., Голубєв І.Р., Гутаревич Ю.Ф., Д’яков О.Б., Єрохов В.І., Жегалін О.І., Іванов В.Н., Канарчук В.Є., Курніков І.П., Ліханов В.А., Лупачов П.Д., Малов Р.В., Новіков Ю.В., Скорченко В.Ф., Сторчевус В.К., Ходолій М.М., Шейнін В.А., C. Keith, M. Flytzani-Stephanopoulos, G.E. Voecks. Особливий вклад у розв’язання практичних задач щодо покращення екологічних характеристик автомобілів оснащенням їх каталітичними нейтралізаторами внесли такі вчені і винахідники, як Вартанян В. М., Евдокімов В. Д., Каганович І. Л., Новіков В. З., Кузнецов Є. М., Моісеєв С. П., Пічугов Ю. В., Сайкін А.М., B. Anderson, S. Irandoust, G. Wobner, E. Linder, H. Maurer, Barto, I. Hyanek та інші.

Обладнання під час виготовлення дизельних автомобілів КН дає змогу забезпечити такі їх екологічні характеристики, які відповідають найвищим вимогам стандартів у галузі екологічної безпеки. Однак, із збільшенням терміну їх служби, екологічні показники швидко погіршуються.

У зв’язку з цим, стали актуальними теоретичні та експериментальні дослідження в напрямку покращення екологічних показників автомобіля, обладнаного КН, виявлення причин їх погіршення в експлуатації, розроблення методів і засобів підвищення їх стабільності. Крім цього, з метою зниження витрат на оснащення автомобіля КН і подальшої його експлуатації повинні враховуватися вимоги стандартів того регіону, у якому використовується автомобіль. Тому необхідно створити математичну модель стабільності екологічних показників, яка б враховувала вимоги міжнародних та національних стандартів. Отже, дослідження стабільності екологічних показників дизельного автомобіля, обладнаного КН, в умовах експлуатації є своєчасним і актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з держбюджетною науково-дослідною темою № 489А-95/Б “Дослідження закономірностей взаємодії потоку відпрацьованих газів ДВЗ зі складною структурою “каталітичний нейтралізатор-глушник” з метою підвищення ефективності каталізу і зниження рівня шуму”, яка виконувалась згідно з Технічним завданням Міністерства освіти України, номер державної реєстрації №0195U006838 від 01.03.1995 р. (здобувач брав безпосередню участь у її виконанні на посаді молодшого наукового працівника); госпдоговірними темами № 453-А-94 “Випробування нейтралізаторів відпрацьованих газів для автомобілів Краз” та № 511-А-95 “Дослідження та експлуатаційні випробування нейтралізатора відпрацьованих газів з дослідними каталітичними блоками на автомобілі КрАЗ-6510”, які виконувались на замовлення Холдингової компанії “АвтоКрАЗ” у Кременчуцькому державному політехнічному університеті.

Мета роботи та задачі досліджень. Метою роботи є підвищення стабільності екологічних показників дизельного автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором ВГ. Для досягнення поставленої мети розв’язувались такі задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

Об'єкт дослідження – дизельний вантажний автомобіль, обладнаний КН.

Предмет дослідження – закономірності зміни екологічних показників автомобіля в експлуатації.

Експериментальними методами досліджувалися екологічні характеристики дизельного автомобіля, обладнаного КН, в експлуатаційних умовах, на моторному і газодинамічному стендах. Розрахунковим методом за допомогою математичних моделей визначалися екологічні хfрактеристики автомобіля та їх стабільність в експлуатації.

Наукова новизна одержаних результатів. Набуло подальшого розвитку розв’язання проблеми забезпечення екологічної безпеки дизельного автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором; розроблено оцінний критерій – параметр стабільності екологічних показників дизельного автомобіля; виявлені причини низької стабільності екологічних показників автомобіля в умовах експлуатації; встановлено залежності зміни екологічних показників автомобіля від параметрів потоку відпрацьованих газів при взаємодії з каталізатором; виконано за оцінним критерієм аналіз процесів, які відбуваються при взаємодії відпрацьованих газів з каталізатором; встановлено взаємозв’язок між змінами екологічних показників автомобіля та газодинамічним опором випускної системи.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені математична модель та алгоритми розрахунку екологічних характеристик автомобіля з каталітичним нейтралізатором під час його експлуатації, які дають змогу враховувати вимоги міжнародних стандартів. Створено методику експериментальних досліджень екологічних характеристик автомобіля. Запатентовано конструкцію каталітичного нейтралізатора, використання якої підвищує екологічні показники автомобілів та їх стабільність за рахунок розподілу потоку відпрацьованих газів у нейтралізаторі та продувок каталізатора для видалення сажових відкладень. Результати досліджень впроваджені в Управлінні головного конструктора Холдингової компанії “АвтоКрАЗ” при проектуванні та експлуатації великовантажних автомобілів КрАЗ. Матеріали досліджень використовуються у лабораторному практикумі кафедри “Автомобілі та трактори” Кременчуцького державного політехнічного університету.

Особистий внесок здобувача. У спільних публікаціях здобувачу належать: генерування ідей наукових досліджень [2]; встановлення залежностей, які визначають стабільність екологічних характеристик автомобіля, обладнаного КН [3]; узагальнений аналіз існуючих методів покращення екологічних характеристик дизельного автомобіля застосуванням систем нейтралізації ВГ і підвищення їх стабільності [4]; розроблення методик експериментальних досліджень та їх виконання [6,9,12].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались і були схвалені на: науково-технічних конференціях молодих вчених і фахівців КДПУ (м. Кременчук, 1994-1996 р.р.); міжнародній науково-практичній конференції "Актуальні питання охорони навколишнього середовища від антропогенного впливу" (м. Кременчук, 1994 р.); науково-технічних конференціях “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, КДПУ, 1997-1999, 2003 р.р.); науково-методичних семінарах кафедри "Автомобілі та трактори" КДПУ (1994-1996 р.р., 2003 р.) і кафедри "Автомобілі та автомобільне господарство" Інституту економіки та нових технологій (м. Кременчук, 1999-2003 р.р.); розширеному засіданні кафедр “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки” та “Автомобілебудування” НУ “Львівська політехніка” (м. Львів, 2003 р.).

Публікації. Основні теоретичні засади дисертації, методики, результати досліджень опубліковані в 11 наукових працях, в т.ч. у 3 фахових виданнях; отримано один патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 130 найменувань. Обсяг роботи становить 123 сторінок основного тексту, 2 додатків на 2 сторінках, 10 таблиць, 67 рисунків. Загальний обсяг – 156 сторінок.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі роботи, наукова новизна, практична цінність та практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ присвячений узагальненому аналізу існуючих методів покращення екологічних характеристик дизельного автомобіля застосуванням систем нейтралізації ВГ та підвищення їх стабільності. Аналіз наукових праць і винаходів вітчизняних та зарубіжних вчених показав, що є певні досягнення щодо підвищення екологічної безпеки автомобіля обладнанням його КН. Разом з тим не розроблені достатньо ефективні заходи щодо забезпечення стабільності екологічних характеристик дизельного автомобіля під час експлуатації. У запатентованих конструкціях відсутні дані про вплив змін конструкції КН на підвищення стабільності екологічних показників автомобіля.

У другому розділі розроблена математична модель експлуатаційної стабільності екологічних характеристик автомобіля, обладнаного КН. Розкриваються задачі і методи теоретичних та експериментальних досліджень, обґрунтовано та визначено об’єкт досліджень.

Обґрунтовано екологічні показники автомобіля в цілому, каталітичного нейтралізатора окремо та їх стабільності в експлуатації. Для оцінки екологічних характеристик автомобіля прийнято питомий показник - масова витрата i-ої компоненти ВГ на одиницю ефективної потужності двигуна

. (1)

Вибір такого показника обумовлений тим, що саме він регламентується нормативно-технічною документацією, зокрема Правилами ЄЕК ООН № 49, вимоги яких поширюються на великовантажні автомобілі.

Оцінка стабільності екологічних характеристик автомобіля з КН ґрунтувалась на методі визначення параметра технічного стану, суть якого полягає в тому, що питомий показник автомобіля залежно від пробігу S може бути виражений функцією n-го порядку

, (2)

де ai0 – початкове значення параметра технічного стану (при S = 0);

ai1,…,aiп – коефіцієнти, які визначають характер і ступінь залежності параметра від пробігу автомобіля S.

Використовуючи функцію (2) і вихідні характеристики на початку експлуатації автомобіля giп, можна визначити його екологічні характеристики на будь-якому пробігу S.

Стабільність екологічних показників автомобіля в експлуатації за i-ю компонентою можна оцінити за величиною збільшення викидів , наприклад, питомих стосовно одиниці пробігу автомобіля (рис. 1, крива 1). Показник отримав назву параметр стабільності:

. (3)

Для виконання розрахунків з використанням функції (2) необхідно знати значення коефіцієнтів аi0, аi1,…, аin. Вони можуть бути отримані в результаті збору і опрацювання багатьох статистичних даних. Однак, можна істотно спростити розв’язання задачі, прийнявши лінійну залежність зміни питомого викиду в межах пробігу автомобіля між його ТО (рис. 1, пряма 2). Очевидно, що у межах заданого пробігу питомі викиди не можуть перевищити кінцеві значення. Величини допустимих питомих викидів наприкінці пробігу є відомими, оскільки визначаються вимогами стандартів, на виконання яких орієнтований автомобіль.

Знаючи величину параметра стабільності екологічних характеристик автомобіля, можна визначити питомі викиди ним i-ї компоненти за будь-якого пробігу за формулою

. (4)

можна також визначити пробіг автомобіля S для заданих початкових gin і допустимих кінцевих giк викидів наприкінці пробігу за формулою

. (5)

Крім того, можна визначити необхідні характеристики нейтралізатора за початковим і допустимим кінцевим викидах, погоджуючи періодичність обслуговування нейтралізатора з проведенням планових ТО автомобіля, періодичність яких пов’язана з пробігом автомобіля

. (6)

Стабільність екологічних характеристик автомобіля, обладнаного КН, в умовах експлуатації залежить насамперед від стабільності очисних властивостей нейтралізатора, яку прийнято оцінювати ступенем очищення:

, (7)

де Ciвх і Ciвих – концентрації i-ої компоненти відповідно на вході і виході з КН.

Для визначення експлуатаційної стабільності КН складена схема нейтралізатора з каталітичним блоком, який являє собою сукупність елементів у вигляді каналів, через які проходять ВГ (рис. 2). Під час експлуатації автомобіля одні канали залишаються у працездатному стані, інші забруднюються сажею, перекриваючи рух потоку ВГ. Кількість каналів, які знаходяться у працездатному стані зменшується, а забруднення каналів приводить до того, що вони не тільки не беруть участі в очищенні, а й змінюють структуру потоку. Розроблена розрахункова схема експлуатаційної стабільності КН та уведення поняття “умовно ідеальний нейтралізатор” дають змогу оцінювати стабільність екологічних показників автомобіля, обладнаного КН, за допомогою існуючих методів опрацювання статистичної інформації.

Теоретичні дослідження проводилися з використанням розроблених математичних моделей та сучасної комп’ютерної техніки.

Експериментальні дослідження виконувалися в реальних умовах експлуатації автомобіля, на моторному та газодинамічному стендах. Для експериментальних досліджень був розроблений нейтралізатор, основу якого становить глушник автомобіля КрАЗ-6510 (рис. 3), у якому встановлено один, або послідовно два каталітичних блоки замість однієї секції глушника. Така конструкція виконує одночасно функції нейтралізатора і глушника.

Лабораторні дослідження проводилися на стендах кафедри “Автомобілі та трактори” Кременчуцького державного політехнічного університету.

В умовах експлуатації досліджувалися екологічні характеристики автомобіля, обладнаного різними типами КН, їх стабільність, вплив КН на газодинамічний опір випускної системи та на зовнішній шум автомобіля. Моделюванням експлуатаційних режимів роботи автомобіля на моторному стенді проводилися дослідження екологічних характеристик. На газодинамічному стенді виявлялись причини зниження екологічних показників автомобіля в експлуатації і з використанням принципів подібності досліджувались методи підвищення їх стабільності.

За результатами досліджень систематизовано оцінні показники екологічних характеристик автомобіля та створена математична модель їх стабільності. Розроблено методи теоретичних і експериментальних досліджень; обґрунтовано і визначено об’єкт досліджень; підібрано обладнання, вимірювальна апаратура; спроектовано та виготовлено необхідні пристрої.

У третьому розділі наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень екологічних характеристик автомобіля.

Зміна конструкції випускної системи автомобіля, обладнанням її нейтралізатором-глушником (НГ) замість серійного глушника, визначила потребу у проведенні досліджень газодинамічного опору цієї системи і показників рівня шуму порівняно з допустимими нормами та з показниками, які мав автомобіль, обладнаний серійним глушником. На рис. 4 наведені результати досліджень випускної системи, обладнаної НГ з різними типами каталізатора (1,2,3 – відповідно з одним та двома блоками діаметром 200 мм та з гранульованим КН) порівняно з серійним глушником (4). Результати отримані на моторному стенді без навантаження. Дослідження показали, що при встановлені НГ газодинамічний опір випускної системи менший, ніж у разі застосування се рійного глушника. Вимірюванням встановлено високі показники очищення ВГ від оксидів вуглецю при застосуванні усіх розглянутих варіантів нових конструкцій КН (рис.5).

Дослідження зовнішнього шуму показали, що при обладнанні автомобіля НГ замість серійного глушника він відповідає вимогам ГОСТ 27436-87.

Досліджувалися процеси, які відбуваються у проточній порожнині КН. Для цього проведено зондування потоку ВГ для визначення дійсних швидкостей їх руху і побудови їх роз-поділу у поперечному перетині каталі-тичного блока (рис. 6). Отримані ре-зультати показують, що потік ВГ має велику нерівномірність швидкостей руху х через каталізатор.

Розподіл швидкостей руху ВГ, отриманий експериментально, залежно від радіуса каталітичного блока R описується поліномом третього порядку:

. (8)

Коефіцієнти, що входять в рівняння, мають значення: а0 = 37,36; а1 = - 122; а2 = - 6739; а3 = 50276.

Змінюється за поперечним перетином блока і ступінь очищення (рис. 7). При зміні режимів руху автомобіля відбувається зміна температури ВГ. З підвищенням температури ВГ екологічні показники покращуються, а темп зменшення очисних властивостей каталізатора з підвищенням швидкості газів залишається постійним, незалежно від температури (рис. 8).

Ступінь очищення при постійних температурах ВГ описується формулою

, (9)

де а0 і а1– емпіричні коефіцієнти; коефіцієнт а0 змінюється залежно від температури, а коефіцієнт а1 залишається постійним, а1 = - 0,0038.

Отримання залежності дало можливість визначити інтегральний показник ступеня очищення для будь-якої форми кривої залежності (див. рис. 7) за формулою

, (10)

де QВГ – витрата ВГ, м3/с; R - радіус каталітичного блока, м; Rз – зовнішній радіус блока, м.

За допомогою цієї математичної моделі проведені дослідження очисних властивостей каталітичного блока для рівномірного і дійсно нерівномірного розподілів, результати яких показали відмінності у значеннях ступенів очищення 1,3 %, незважаючи на велику нерівномірність розподілу швидкості руху потоку ВГ і корельовано значну залежність ступеня очищення від швидкості руху ВГ. Це пояснюється квадратичною залежністю площі поперечного перерізу блока від радіуса та отриманими залежностями, наведеними вище. Таким чином, для круглих поперечних перерізів нових каталітичних блоків очисні характеристики КН мало залежать від характеру розподілу швидкостей ВГ.

Для визначення стабільності екологічних характеристик в умовах експлуатації були проведені експлуатаційні дослідження на автомобілі Краз-6510 з нейтралізаторами двох типів: блоковим та гранульованим (рис. 9).

Параметр стабільності екологічних показників автомобіля, обладнаного НГ з гранульованим каталізатором, за період експлуатації становив , а автомобіля, обладнаного НГ з блоковим каталізатором - . Отже, стабільність екологічних показників автомобіля, обладнаного КН є невисокою, особливо з гранульованим каталізатором, у якого вона удвічі нижча, порівняно з автомобілем, обладнаним НГ з блоковим каталізатором.

Підвищення газодинамічного опору випускної системи при встановленому НГ з блоковим каталізатором відбулося унаслідок забруднення каналів блока сажею, а при встановленні НГ з гранульованим каталізатором - в результаті забруднення отворів реактора частками гранул, що зруйнувалися, а також самими подрібненими гранулами. За часом, подрібнені і зруйновані гранули були винесені потоком ВГ крізь отвори реактора в атмосферу, що призвело до появи порожнин у реакторі. Це обмежило зростання газодинамічного опору, а надалі зумовило його зменшення.

На підставі результатів виконаних досліджень на моторному стенді і на автомобілі можна зробити висновок, що зменшення ступеня очищення НГ з блоковим каталізатором і підвищення газодинамічного опору випускної системи відбулось внаслідок забруднення 75% каналів каталітичного блока сажею (рис.10). Для підвищення стабільності характеристик автомобіля з КН необхідно забезпечити умови, які виключають забруднення блоків сажею при збереженні необхідного ступеня очищення.

Експлуатаційні випробовування підтвердили необхідність проведення додаткових досліджень на газодинамічному стенді. За результатами вимірювань швидкісного напору побудовані епюри швидкостей потоку повітря, які аналогічні тим, що отримані на моторному стенді в умовах реального потоку ВГ. Дослідження закономірностей зміни розподілу швидкостей потоку газів при забрудненні каналів периферійної ділянки блоків проводилися встановленням кілець різної ширини.

На рис. 11 наведені епюри швидкостей потоку газів в каналах нового блоку (суцільна лінія) і при моделюванні забивання сажею периферійних ділянок площами 50 % (штрихова лінія) і 75 % (штрих-пунктирна лінія). Очевидно, що під час експлуатації автомобіля в результаті забруднення каналів блоків сажею поступово змінюється характер розподілу швидкостей руху ВГ через блоки каталізатора, внаслідок чого відбувається погіршення екологічних характеристик автомобіля.

Проведені дослідження на автомобілі показали аналогічні результати.

Під час експлуатації автомобіля внаслідок малого напору потоку ВГ у периферійній ділянці КН забиваються сажею в першу чергу ці канали. Це призводить до зменшення робочого об’єму каталізатора і викликає збільшення швидкості потоку в його центральній частині та зростання газодинамічного опору системи випуску.

Крім цього, на газодинамічному стенді досліджувалися умови, які запобігають забрудненню каталізатора сажею. З цією метою в середній частині дифузора встановлювався додатковий конус таким чином, щоб примусово розділити потік газів на дві рівні частини. Така конструкція КН дозволила отримати практично рівномірну епюру (рис. 12, штрихова лінія). В периферійній ділянці блока досягнуто збільшення середньої швидкості приблизно у два рази. Оскільки напір потоку газів пропорційний квадрату швидкості їх руху, створюються умови для запобігання налипання сажових часток. На режимі максимальної частоти обертання колінчастого вала двигуна створюються найвигідніші умови для забезпечення відриву сажових часток, що застрягли в каналах блоків.

Уведення в конструкцію нейтралізатора додаткового конуса дає змогу не тільки вирівняти епюру швидкостей, але й організувати періодично продувку блоків потоком ВГ, значно збільшив-ши їх швидкість і напір. Це можна здійснювати, перекриваючи ту або іншу частину потоку газів керованими заслінками, які встановлені перед додатковим конусом. При поділі потоку газів до-датковим конусом на рівні частини перекриття одного з каналів змушує весь потік рухатися у від-критий канал. Це викликає збільшення швидкості руху газів удвічі, а напору в 4 рази. Вирівнювання потоку ВГ дозволяє періодично створювати для продувки каналів блоків напори газів, які в 10-16 разів перевищують напори в типових конструкціях автомобільних нейтралізаторів з блоковим каталізатором, що забезпечує евакуацію налиплих сажових часток.

Розроблена конструкція нейтралізатора захищена патентом України на винахід.

У четвертому розділі здійснено узагальнення результатів досліджень. На підставі аналізу результатів експлуатаційних досліджень побудована залежність ступеня очищення від газодинамічного опору випускної системи (рис. 13). З її використанням можна непрямим способом визначити екологічні показники автомобіля в експлуатації без використання спеціального устаткування. Це можна реалізувати, встановивши давач тиску для непрямого контролю ступеня очищення, який одночасно буде давачем, що сигналізує про підвищений газодинамічний опір випускної системи, внаслідок якого погіршується робота двигуна.

Оскільки центральна ділянка каталітичного блока не схильна до забруднення сажею, можна обмежитися організацією продувок лише периферійної ділянки.

Це дає змогу спростити конструкцію КН, встановивши керовану заслінку в центральному каналі. Керування заслінкою можна автоматизувати, використавши відповідний її привід та блок керування, який автоматично змінюватиме величину закриття заслінки командою від сигналу давача, що реагує на підвищення газодинамічного тиску у випускний системі автомобіля.

Узагальнення результатів теоретичних та експлуатаційних досліджень дало можливість розробити метод розрахунку екологічних показників автомобіля, обладнаного КН, виходячи з наступних положень:

· забезпечення виконання відповідних вимог міжнародних та національних стандартів;

· урахування характеристик автомобільного двигуна за викидами шкідливих речовин на режимах, обумовлених відповідними стандартами;

· забезпечення необхідного пробігу автомобіля до його чергового ТО і виконання при цьому відповідних операцій обслуговування КН.

Для обладнання автомобіля КН потрібно визначити його характеристики. Автомобіль з новим КН має початкові питомі викиди шкідливих речовин за i-ю компонентою менші, ніж вихідні викиди двигуна без КН у певну кількість разів, яка оцінюється коефіцієнтом очищення КН.

Якщо встановлення КН обумовлено виконанням вимог стандартів за викидами i-ї компоненти ВГ, то необхідний коефіцієнт очищення КН визначиться за виразом

. (11)

Під час експлуатації автомобіля очисні властивості КН погіршуються і при виконанні відповідного ТО вони частково відновлюються регенерацією каталітичного блока. Рівень зменшення очисних властивостей КН між суміжними регенераціями можна врахувати коефіцієнтом , який визначають через параметр стабільності та пробіг автомобіля до ТО

. (12)

Регенерація каталізатора при виконанні операцій ТО не дає можливості повністю відновити початкові очисні властивості каталізатора. Це враховано коефіцієнтом .

Таким чином, остаточна формула для визначення коефіцієнта очищення КН набуде вигляду:

, (13)

де m - допустиме число регенерацій.

Розв’язуючи задачу таким методом, можна підібрати конструкцію нейтралізатора з мінімальним, але достатнім об’ємом каталізатора для очищення ВГ до рівня чинних вимог. Це дозволить зменшити витрати на обладнання таким КН автомобіля.

Може вирішуватися й інша задача. При обладнанні автомобіля КН визначається запас за екологічними показниками ВГ на допустимість їх погіршення в експлуатації. Значення цього запасу порівнюється з параметром стабільності і, знаючи залежність зміни екологічних показників, визначається допустимий пробіг автомобіля. Виходячи з отриманих даних, визначається періодичність ТО (регенерації КН), яку необхідно погодити із чинною періодичністю проведення ТО автомобіля.

Розрахункова економічна ефективність від впровадження запатентованої конструкції КН становить 1940 грн. в рік на один автомобіль.

висновки

1. На основі аналізу спеціальних наукових джерел та практичного стану виявлено потребу у підвищенні стабільності екологічних показників дизельного автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором ВГ, який має низьку стабільність екологічних показників. Вже при пробігу автомобіля 12 тис. км його показники залежно від типу нейтралізатора погіршуються в 1,6-3,6 рази. Це відбувається при використанні гранульованого каталізатора - внаслідок стирання гранул, а при використанні блокового каталізатора – внаслідок забруднення каналів сажею.

2. Забруднення каналів каталітичного блока проходить внаслідок нерівномірності розподілу швидкостей руху потоку ВГ. У периферійний ділянці швидкість менша ніж у центральній в 3-4 рази. Після пробігу автомобіля 16 тис. км забрудненою стає приблизно 75 % загальної площі каталітичного блока.

3. Підвищенню стабільності екологічних показників автомобіля з КН сприяє відповідне формування потоку ВГ, які рухаються через канали каталізатора. Вирівнювання швидкостей потоку ВГ підвищує їх у найбільш сприятливій до забруднення периферійній ділянці каталізатора приблизно у 2 рази, а напір – в 4 рази, що створює умови для його самоочищення за рахунок встановлення в середину дифузора додаткового конусу.

4. Виконання продувок при перекритті одного з каналів КН, створених додатковим конусом, викликає збільшення у відкритому каналі швидкості потоку ВГ удвічі, а напору - в 4 рази. Разом з вирівнюванням потоку виникають умови для періодичного створення напорів у 10-16 разів більших, ніж у типових конструкціях автомобільних КН з блоковим каталізатором.

5. Для каталітичних блоків з круглими поперечними перерізами очисні характеристики КН на початку експлуатації мало залежать від характеру розподілу швидкостей потоку ВГ. Нерівномірність швидкостей впливає не стільки на величину екологічного показника автомобіля, обладнаного новим каталізатором, скільки на його стабільність під час експлуатації.

6. Отримана поліномінальна залежність зміни екологічної характеристики автомобіля в експлуатації, яка оцінюється ступенем очищення ВГ нейтралізатором.

7. За допомогою експериментально встановлених залежностей можливо контролювати екологічні показники автомобіля без використання складних вимірювальних засобів, застосувавши для цього лише давач тиску, який сигналізує в певний момент про потребу проведення продувки КН для поновлення його очисних властивостей без демонтажу з автомобіля.

8. Розроблено метод розрахунку екологічних показників автомобіля з КН, алгоритми якого враховують вимоги національних та міжнародних стандартів, періодичність планових ТО автомобіля, мінімізацію витрат на обладнання автомобіля КН і його обслуговування. Вони можуть бути використані на стадії проектування дизельного автомобіля або обладнання серійного автомобіля каталітичними нейтралізаторами ВГ.

9. Створена і захищена патентом України конструкція КН, яка забезпечує підвищення ефективності очищення ВГ і стабільність екологічних показників автомобіля.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено у таких публікаціях:

1. Шапко С.В. Математическое описание стабильности экологических характеристик автомобиля с каталитическим нейтрализатором в эксплуатации. // Регіональний міжвузівський збірник наукових праць: “Системні технології”. – Випуск 4(15). – Дніпропетровськ, 2001. - С. 24-29.

2. Шапко В.Ф., Шапко С.В. Підвищення стабільності екологічних показників автомобіля вдосконаленням конструкції каталітичного нейтралізатора. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: “Транспорт. Дорожні та будівельні машини”. - Випуск № 4/2003 (21).- Кременчук, 2003. - С. 91-95.

3. Гутта О.Й., Шапко С.В. Оцінні показники стабільності екологічних характеристик автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором. // Збірник наукових праць Асоціації підприємств України по виробництву автобусів “Автобус” Міністерства промислової політики України: “Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів”. – Випуск 7.- Львів, 2003. - С. 69-73.

4. Пат. 38022А Україна, МПК 7 F01N3/1 / Каталітичний нейтралізатор відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згоряння / В.Ф.Шапко, С.В.Шапко (Україна).-№ 2000052815. Заявл. 17.05.2000; Опубл. 15.05.2001, Бюл. № 4.- 4 с.

5. Шапко С.В. Экспериментальные исследования структуры потока в проточной полости автомобильного каталитического нейтрализатора. // Науч. тр. КГПИ: “Проблемы создания новых машин и технологий”. – Кременчук, 1997. - С. 206-209.

6. Шапко В.Ф., Дунь С.В., Шапко С.В. Исследование условий работы каталитического нейтрализатора, влияющих на очистку отработавших газов автомобиля с дизельным двигателем от токсичных веществ и самоочистку катализатора от сажевых отложений. // Науч. тр. КГПИ: “Проблемы создания новых машин и технологий”. – Кременчук, 1998. - с. 280-283.

7. Шапко С.В. К методу расчета автомобильного каталитического нейтрализатора. // Науч. тр. КГПИ: “Проблемы создания новых машин и технологий”. – Кременчук, 1998. - с. 283-287.

8. Шапко С.В. Основы математического описания структуры потока отработавших газов в блочном катализаторе автомобильного нейтрализатора. // Науч. тр. КГПИ: “Проблемы создания новых машин и технологий”. – Кременчук, 1999. - с. 308-311.

9. Шапко В.Ф., Шапко С.В., Барвинок В.Г. Исследование стабильности экологических характеристик дизельных автомобилей, оснащенных каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. // Науч. тр. КГПИ: “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Выпуск 2/1999. – Кременчук, 1999. - с. 327-332.

10. Шапко С.В. Методика проведения экспериментальных исследований автомобильного каталитического нейтрализатора. // “Матеріали науково-технічної конференції молодих вчених і спеціалістів Кф ХДПУ” (тези доповідей). - Кременчук,1994. - с.5-6.

11. Шапко С.В. Моделирование газодинамического потока в проточной полости автомобильного каталитического нейтрализатора. // “Актуальные вопросы охраны окружающей среды от антропогенного воздействия” (тези доповідей). - Кременчуг,1994. - с.23-24.

12. Барвинок В.Г., Шапко С.В. Результаты эксплуатационных испытаний каталитических нейтрализаторов на автомобиле КрАЗ-6510. // “Актуальные вопросы охраны окружающей среды от антропогенного воздействия” (тези доповідей). - Кременчуг,1994. - с.32-33.

АНОТАЦІЯ

Шапко С.В. Підвищення стабільності екологічних показників дизельного автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 – автомобілі та трактори. - Національний університет “Львівська політехніка”. – Львів, 2004.

Дисертація присвячена підвищенню стабільності екологічних показників дизельного автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором відпрацьованих газів, в умовах експлуатації. Робота містить узагальнений аналіз існуючих методів покращення екологічних характеристик автомобіля застосуванням систем нейтралізації ВГ і підвищення їх стабільності; методики теоретичних та експериментальних досліджень; математичні моделі та оцінні критерії стабільності; результати досліджень екологічних характеристик автомобіля; метод розрахунку екологічних показників автомобіля, обладнаного каталітичним нейтралізатором, з урахуванням вимог міжнародних та національних стандартів. За результатами досліджень виявлені причини погіршення екологічних показників в експлуатації. Встановлено, що для підвищення стабільності характеристик автомобіля необхідно забезпечити умови, які виключають забруднення каталітичних блоків сажею. Це досягається впливом на формування структури потоку ВГ. За результатами досліджень розроблена конструкція нейтралізатора, яка захищена патентом України на винахід.

Ключові слова: дизельний автомобіль, відпрацьовані гази, стабільність екологічних показників, каталітичний нейтралізатор, епюри потоку газів.

Аннотация

Шапко С.В. Повышение стабильности экологических показателей дизельного автомобиля, оборудованного каталитическим нейтрализатором. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 – автомобили и тракторы. - Национальный университет “Львивська политэхника”. – Львов, 2004.

Оснащение дизельных автомобилей каталитическими нейтрализаторами (КН) отработавших газов (ОГ) обеспечивает выполнение им требований стандартов в области экологической безопасности. Однако, в процессе эксплуатации экологические показатели автомобиля быстро ухудшаются. Поэтому проведение исследований экологических показателей дизельного автомобиля, оборудованного КН, в условиях эксплуатации определяет актуальность данной работы.

Цель исследований - повышение стабильности экологических показателей дизельного автомобиля, оснащенного КН ОГ в условиях эксплуатации. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: анализ методов обеспечения экологической безопасности автомобильного транспорта; патентный поиск систем нейтрализации ОГ, конструктивных решений, обеспечивающих повышение стабильности экологических показателей автомобиля; разработка методики теоретических и экспериментальных исследований; создание математических моделей и оценочных критериев стабильности экологических показателей; разработка расчетной схемы эксплуатационной стабильности КН; экспериментальные исследования экологических характеристик автомобиля в условиях эксплуатации, на моторном и газодинамическом стендах; создание алгоритмов и метода расчета экологических показателей автомобиля, оснащенного КН, с учетом требований международных и национальных стандартов.

Научная новизна – получили дальнейшее развитие решение проблемы обеспечения экологической безопасности дизельного автомобиля, оснащенного КН; выявленные причины низкой стабильности экологических показателей автомобиля в условиях эксплуатации; впервые введен оценочный критерий – параметр стабильности экологических показателей дизельного автомобиля; установлены зависимости экологических характеристик автомобиля и их стабильности от формирования структуры потока ОГ при его взаимодействии с катализатором; определены количественная и качественная оценки процессов, происходящих при взаимодействии ОГ с катализатором; установлена взаимосвязь между изменениями экологических показателей автомобиля в эксплуатации и газодинамического сопротивления выпускной системы.

Практическое значение - разработаны математическая модель и алгоритмы расчета экологических характеристик автомобиля с КН в эксплуатации с учетом требований международных стандартов; запатентована конструкция КН, которая позволяет повысить экологические показатели автомобиля и их стабильность в эксплуатации путем влияния на распределение потока ОГ в проточной полости КН и организации продувок для удаления сажевых отложений.

Первый раздел посвящен обзору и обобщенному анализу существующих методов улучшения экологических характеристик дизельного автомобиля и повышения их стабильности применением систем очистки ОГ.

Во втором разделе изложены материалы по разработке математической модели эксплуатационной стабильности экологических характеристик автомобиля, оснащенного КН ОГ. Определенны экологические показатели автомобиля в целом, КН в отдельности и их стабильности в эксплуатации. Оценка стабильности экологических характеристик автомобиля с КН основана на методе определения параметра технического состояния, сущность которого состоит в том, что экологический показатель автомобиля в эксплуатации возможно оценить по величине увеличения удельных выбросов относительно единицы пробега автомобиля.

В третьем разделе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований экологических характеристик автомобиля. В условиях эксплуатации исследовались экологические характеристики автомобиля при его оснащении разными типами КН, их стабильность, влияние КН на сопротивление выпускной системы и на внешний шум автомобиля. На моторном стенде проводились исследования экологических характеристик путем моделирования эксплуатационных режимов работы автомобиля. На газодинамическом стенде проводились исследования по выявлению причин снижения экологических показателей автомобиля в эксплуатации и поиск путей повышения их стабильности, используя принципы подобия моделированного и реального потоков. Результаты исследований показали, что поток ОГ имеет большую неравномерность скоростей движения по сечению каталитического блока, который почти не влияет на экологические показатели автомобиля с новым нейтрализатором, но является основной причиной низкой стабильности в эксплуатации. Выявлено, что для повышения стабильности характеристик автомобиля необходимо обеспечить условия, которые исключают загрязнение каталитических блоков сажей. По результатам исследований разработана конструкция КН, защищенная патентом Украины на изобретение.

В четвертом разделе проведены обобщения результатов исследований. Анализ результатов эксплуатационных исследований позволил установить зависимость степени очистки от газодинамического сопротивления выпускной системы, которая дает основание для косвенного определения экологических показателей автомобиля в эксплуатации без использования специального оборудования. Разработаны математическая модель и алгоритмы расчета экологических характеристик автомобиля с КН в эксплуатации.

Ключевые слова: дизельный автомобиль, отработавшие газы, стабильность экологических показателей, каталитический нейтрализатор, эпюры потока газа.

abstract

Shapko S. Rise of stability of ecological indexes of diesel car equipped to catalytic exhaust-cleaners. – Manuscript.

Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences. Speciality 05.22.02 - cars and tractor. - National university “Lvivska Polytehnica”. – Lviv, 2004.

A dissertation is devoted to the rise of stability of ecological indexes of diesel car, equipped to catalytic exhaust-cleaners working gases in the conditions of exploitation. The work contains the analysis of ways of providing an ecological safety of motor transport; patent search; methods of theoretical and experimental researches, mathematical models and criteria of stability; research of ecological descriptions of car; method of computation of ecological indexes of car equipped to catalytic exhaust-cleaners, taking into account the requirements of international and national standards. On results researches exposed causes of worsening ecological indexes in exploitation. It is set, that for the rise of stability of car descriptions it is necessary to secure the conditions which turn off contaminations of catalytic blocks soot. This is achieved by affecting forming a structure of stream of working gases. On results researches developed construction of exhaust-cleaners which protected by the Ukraine patent on the invention.

Keywords: diesel car, worked gases, ecological indexes, catalytic exhaust-cleaners, stability of descriptions, stream.

Підписано до друку 22.04.2004 р.

Формат 60х84 1/16. Папір офсетний.

Друк на різографі. Умовн. друк. арк. 1,4. Обл.-видав. арк. 0,89.

Тираж 100 прим. Зам.

Видавничо-поліграфічний відділ ЛвЦНТІ

79058. м. Львів, пр. В.Чорновола, 57