Проектирование предприятия

Физико-химические и спектральные показатели смазочного масла определялись для проб исходного масла и отобранных, через 10 часов эксперимента, с помощью лабораторного анализа масел согласно ГОСТов и фотоэлектрического спектрометра МФС-7 [9, 10].

Скорость изнашивания  втулок цилиндров определялась методом  ИРАБ (искусственных радиоактивных  баз). С этой целью две втулки были активированы вставками с кобальтом 60 в точке перекладки верхних  компрессионных колец. Снижение интенсивности износа втулок, за единовременную наработку с учетом взаимовлияния самораспада кобальта, рассчитывались на ПЭВМ при помощи специально созданной программы .

Износ цилиндропоршневой  группы контролировался на различных  этапах (приработка, работа на штатном топливе, работа на топливе с присадкой «0010») следующими методами :

• нарезания лунок на втулках прибором УПОИ (8 лунок на поясе метки ИРАБ);
• нарезание лунок на кольцах прибором УПОИ (7 лунок на наружной поверхности);
• микрометрирование колец прибором ИЗВ-1 по высоте и ширине кольца;
• взвешиванием колец на аналитических весах ВЛР.

Шатунные вкладыши контролировались в конце первого и второго  этапов внешним осмотром и взвешиванием на аналитических весах.

Расход масла на угар определялся по маслоуказателю через 10 часов работы.

Эксперимент включал:

• приработку колец и втулок цилиндров до установившейся скорости изнашивания втулок цилиндров (30 часов на 50% нагрузке);
• первый этап - работа двигателя на штатном дизельном топливе Л-0,2-65 по ГОСТ 305-82 (50 часов на нагрузке 100%);
• второй этап - работа двигателя на топливе с экологической присадкой «0010» (50 часов на нагрузке 100%).

В результате испытаний  установлено, что при работе дизеля на топливе с экологической присадкой «0010» происходит снижение:

износа рабочих втулок цилиндров на	70%;
износа поршневых колец в	1,5-3 раза.

Во время испытаний  дополнительно контролировалась эмиссия  отработавших газов. Содержание вредных  примесей в отработавших газах контролировалось в конце этапа работы на штатном топливе и конце этапа работы на топливе с присадкой «0010» газоанализатором ГАТУ.

В результате испытаний  установлено, что при работе дизеля на топливе с экологической присадкой «0010» происходит снижение:

содержания в отработавших газах:
оксида углерода на	30%;
оксидов азота на	25%;
несгоревших углеводородов  на	100%;
удельного эффективного расхода топлива на	5%.

Полученные результаты по снижению эмиссии вредных веществ  достаточно хорошо коррелируют с результатами испытаний по ГОСТ и Правилам ЕЭК.

Высказанные при анализе индикаторных диаграмм предположения об отмывке форсунки были подтверждены испытаниями на одноцилиндровом отсеке двигателя КАМАЗ-740. В результате испытаний установлено, что  использование дизельного топлива с присадки «0010» в концентрации 0,01 % приводит к снижению коксования форсунок примерно на 20% и снижению дымности отработавших газов в среднем на 10%.

_{7.2 Продукты конверсии  метанола}

 

Для организации рационального  рабочего цикла дизеля необходим эффективный и универсальный "инструмент" целенаправленного воздействия на процессы, определяющие экономические и экологические показатели дизеля. Причем совершенствование рабочего процесса дизеля путем применения физико-химических средств является наиболее перспективным методом, так как в основе работы дизеля лежат физико-химические преобразования углеводородно-воздушной смеси. Реакционно-активные физико-химические средства должны обеспечить строго индивидуальное направленное воздействие на кинетику топливно-воздушной смеси.

Исследования показали, что существует возможность оптимизации рабочего процесса дизеля, одновременно улучшаются его экологические и топливно-экономические показатели.

Эта же задача ставится при  поиске альтернативных топлив и подборе  присадок или добавок.

Применение  водородосодержащих добавок

Особое место среди  активизирующих добавок, используемых в двигателях, занимает водород. Высокая эффективность его воздействия на рабочие процессы двигателя связана, в первую очередь, с очень высокой нормальной скоростью сгорания водорода. Так, если нормальная скорость сгорания парафиновых углеводородов — 32—37 см/с, ароматических — 38,5 см/с, циклических углеводородов — 35 см/с, то водорода — 267 см/с.

Важно и другое свойство этого газа — проявление промотирующего (активирующего) эффекта в актах превращений углеводородов, которое уже широко используется в технологиях химического производства.

Применительно к дизелям  рассматривается возможность использования водорода как самостоятельный вид топлива (здесь дизельное топливо используется только в качестве запального), так и в качестве присадки к основному топливу. При этом отмечается улучшение экономических и экологических показателей дизеля как при работе с большим количеством добавок водорода (до 5 % по массе), так и при небольших добавках (0,02—0,1 %). При добавке 1,5 г/(кВт • ч) водорода экономия топлива составляет 18 г/(кВт • ч), а при добавке 9 г/(кВт • ч) водорода — 37 г/(кВт • ч).

В общем случае эффективность  активирования топливно-воздушной  смеси водородом или газовыми смесями, содержащими водород, зависит от относительного содержания водорода и газодинамического состояния реагирующей среды, которые определяют временную протяженность и пространство активированной зоны камеры сгорания, а также суммарный эффект активации по выходным характеристикам двигателя, определяющим его экологические и экономические показатели. В результате воздействия активирующих добавок условная (кажущаяся) энергия активации основной массы топливно-воздушной смеси, характеризующая ее реакционную способность, уменьшается, так как уменьшаются реакции самозарождения, требующие больших энергий активации.

Анализ кинетического  влияния химически активных продуктов, в частности водорода, на процесс горения показал, что их воздействие эффективно как для богатых, так и для бедных углеводородно-воздушных смесей. Таким образом, в дизеле, где воспламенение носит многоочаговый характер, присутствие в смеси активных продуктов уменьшает термодинамическую (температурную) неоднородность среды вследствие расширения

пространства самовоспламенения  и увеличения числа очагов воспламенения.

Механизм промотированного самовоспламенения и сгорания углеводородно-воздушных  смесей в поршневых двигателях, особенно в дизелях, изучен недостаточно. Однако теория и практика исследования гетерогенного катализа в промышленных химико-технологических системах показывает, что процессы активации молекул окисления углеводородов весьма чувствительны к воздействию даже незначительного количества активных компонентов. Поэтому введение в топливно-воздушную смесь даже небольшого количества реакционно-активных продуктов в виде водородосодержащих газов позволит оптимизировать процесс рабочего цикла дизеля.

Кинетический механизм воздействия водородосодержащих газовых смесей, к которым можно отнести и продукты конверсии метанола, используемых в качестве промоти-рующих добавок в дизеле, малоисследован. Однако, опираясь на теории химической кинетики и катализа, можно предположить качественный характер их воздействия.

Из теории сгорания известно, что большинство химических реакций углеводородного топлива имеют цепной характер, а ведущую роль в реакции играют химически активные частицы, легко вступающие в соединение с исходными или промежуточными продуктами реакции, возобновляя процесс.

Рассмотрим один из возможных вариантов зарождения и развития цепи химических реакций, где водород является основным возбудителем.

При взаимодействии молекулы водорода с активным радикалом происходит следующее разложение:

Н + R = Н + Н + R

Атомы, образовавшиеся в  ходе диссоциации водорода, являются возбудителями цепи химических реакций:

- реакции разветвления

- реакция продолжения

Данные реакции составляют повторяющуюся последовательность. Один цикл выражается равенством:

Здесь один атом водорода порождает три новых, т. е. происходит саморазгон реакции, которая в зависимости  от условий (концентрации вещества, температуры  и т. д.) может быть различной, но в любом случае водород будет являться возбудителем цепной реакции. Даже небольшое количество водорода может оказать эффективное воздействие на процесс предпламенной стадии рабочего цикла и формирование закона сгорания в дизеле.

Динамика протекания начальной стадии сгорания в значительной степени связана с продолжительностью задержки воспламенения и количеством топлива, подготовленного к воспламенению за этот период.

Высокая скорость тепловыделения в кинетической стадии сгорания является причиной быстрого повышения давления. Установлена прямая связь между величиной показателя сгорания, характеризующего интенсивность тепловыделения, и эмиссией оксидов азота: с ростом тепловыделения увеличивается выход оксидов азота.

Повышение реакционной  способности топливно-воздушной смеси введением промотирующих добавок, способствующее сокращению продолжительности периода индукции, снижает интенсивность тепловыделения и уровень максимальной температуры в кинетической стадии сгорания, что, в свою очередь, влияет на снижение скорости окисления азота.

Воздействие водорода на процессы окисления и восстановления азота в дизеле имеет два аспекта: термодинамический и химический.

При этом термодинамический  аспект связан с двумя другими  особенностями промотированного сгорания.

Во-первых, активация  предпламенных реакций продуктами конверсии способствует замедлению реакций окисления азота и, следовательно, снижению результирующего выхода оксидов азота за один цикл.

Во-вторых, расширение зоны воспламенения топливно-воздушной смеси в дизеле в присутствии водородосодержащих присадок обусловливает возможность уменьшения термодинамической неоднородности рабочего тела, что снижает число локальных зон с максимальной температурой, являющихся источниками оксидов азота. В то же время максимальная среднемассовая температура рабочего тела сохраняется на достаточно высоком уровне, не ухудшая эффективность цикла в целом.

Химический аспект снижения эмиссии оксидов азота при  применении водородосодержащих присадок в дизеле обусловлен тем, что при сгорании топливно-воздушной смеси наряду с окислительными реакциями, идущими с образованием , имеют место реакции восстановления:

Существенная концентрация неоднородностей предопределяет наличие зон с богатой смесью, где осуществима реакция, приводящая к снижению выхода оксидов азота с ОГ.

Известен характер влияния  присадки водорода на процессы образования и выгорания сажистых частиц в дизеле.

При диффузионном сгорании неоднородной смеси в камере сгорания дизеля процессы образования и выгорания сажистых частиц проходят одновременно. Конечный результат — сажевыделение. Содержание сажи определяется соотношением скоростей прямого (образование) и обратного (выгорание) процессов. Концентрация сажи к моменту открывания выпускного клапана определяет дымность и канцерогенную опасность ОГ.

Накопление сажи возможно только в том случае, если скорость образования сажи выше скорости ее выгорания, причем, чем больше разница  этих скоростей, тем больше сажи накапливается к моменту выпуска ОГ. При образовании и выгорании сажи действуют различные физико-химические законы, поэтому воздействие на них активных продуктов конверсии тоже разное.

Влияние свободного водорода проявляется на всех стадиях процессов  образования и выгорания сажистых частиц. Так, на стадии образования твердого углерода присутствие радикалов атомарного (диссоциированного) водорода ингибирует процесс образования химического радикала-зародыша .

При сажеобразовании  мелкие первичные частицы-кристаллиты коагулируют (соединяются) в более крупные частицы с цепочечной структурой. В свою очередь,