Диагностика и ремонт снижение токсичности отработавших газов автомобиля газ - 3110 в условиях городского цикла

В условиях эксплуатации автомобильные бензиновые двигатели большую часть времени работают на неустановив-шихся режимах, поэтому для оценки токсичности выброса автомобилей применяются ездовые циклы: простой городской и внегородской. Неустановившиеся режимы разгонов автомобиля заменяются установившимися режимами испытаний на нагрузочном стенде, определяемые по методике, разработанной МАДИ-ТУ. Режимы принудительного холостого хода заменяются режимом холостого хода с повышенными оборотами коленчатого вала двигателя. Количество эквивалент- ных режимов определяется исходя из анализа графика ездового цикла. Измерив концентрации вредных веществ в ОГ на эквивалентных режимах работы двигателя, оценивается уровень пробеговых выбросов автомобиля (рис. 1).

Таким образом, как показали исследования, выбросы токсичных компонентов на переходных режимах работы автомобиля – режимы разгонов по ездовому циклу, превышают в 2 … 2, 5 раза значения этих компонентов на установившихся режимах. Снижение выбросов наиболее токсичного компонента отработавших газов (ОГ) – оксидов азота, воз- можно применением систем очистки ОГ

– нейтрализаторов.

Малые

Средние

Высокие

Рисунок 1. Уровень пробеговых выбросов автомобиля ГАЗ 3110

Для оценки эффективности работы модуля – нейтрализатора оксидов азота ОГ разработана термодинамическая модель восстановления NO х , которая представляет собой решение задачи поиска экстремальной концентрации оксидов азота для состава реагентов системы D n (Y)

[N 2 , O 2 , H 2 O, CH - , CH 2 - , NH - , NH 2 - , NO, NO 2 , C, CO, CO 2 , NH 3 ], граф модели

Для любого вектора – состояния системы, выполняется уравнение баланса масс

∑aij⋅Уj=bi, (1) j∈J где: Уj – множества веществ, выраженные через элементы С, Н, О, N; bi – количество элементов С, Н, О, N в веществах, которое определяется величиной топливно-воздушной смеси для режимов городского цикла, имитирующих условия эксплуатации автомобилей.

Для составления материального баланса термодинамической системы D n (Y) n веществ Y j , где j = {1 ... 13}, и m элементов X i , где i = {1 ... 4} так, что любое j вещество Y j состоит только из i элементов X i с учетом их стехиометрических коэффициентов ( а ij ). Материальный баланс представляется многоугольник, где ограничения устанавливаются по четырем элементам (рис. 2)

восстановления оксидов азота.

0,0769уб + 0,25y7 + 0,111у8 + 0,1765у9 +0,0667у12 +0,125у13 <1,0007 уЗ + 0,428бу4 + 0,273у5 + 0,9231уб + 0,75у7 <0,0027

у 2 + 0,571у4 +0,727у5 + 0,889у8 + 0,533у10 +0,696у11 <20,9993

у1 + 0,8235у9 + 0,4667у10 + 0,304у11 +0,9333у12+ 0,875у13 <77,9973

Система уравнений (2) решается линейным программированием симплекс методом с применением программы MS Excel, задавая последовательно значения целевой функции, как максимальный выход каждого из веществ Y j .

В результате расчета получен массив данных в виде множеств Yi, позволяющий построить многоугольник материального баланса (рис. 2). Были также рассчитаны составы промежуточных множеств, расположенных на линиях – гранях многоугольника и линиях – хордах, соединяющих узлы многоугольника и его центр. Таким образом, на многоугольнике материального баланса веществ определен разрешимый уровень взаимопре- вращений компонентов, составляющих систему Dn(Y).

При моделировании и расчете используется условие выпуклости функции Гиббса на многоугольнике ограничений материального баланса, минимальное значение функции Гиббса соответствует равновесному состоянию системы. Задание исходного вектора состояния системы определяет начальные условия решения задачи, от которых зависит область термодинамической доступности.

Устойчивое равновесное состоя- ние системы определяется исследованием изменения значений функции Гиббса Фi, которое рассматривается при неизменных внешних условиях – температуры, давле- ния. Величина температуры ОГ определяется по результатам расчетов характеристик режимов городского цикла, имитирующих условия эксплуатации автомобилей. Для определения равновесного состояния системы, полученные результаты расчета поверхности функции Гиббса исследуются на существование экстремума.   Построенная   поверхность функции Гиббса (рис.2) имеет локальные минимумы, например: Ф(Z3) = -346.104

Дж/кмоль  {NO}; Ф(Z 4 )  =  -336*10⁴

Дж/кмоль  {NO 2 }; Ф(Z 7 )  =  -237*10⁴

Дж/кмоль {O2}. Каждому минимуму соответствует скорость убывания значения функции Гиббса или градиент функции Гиббса йф dxt ^ , что определяет наиболее вероятное развитие процессов восстановления оксидов азота -

308*104Дж/кмоль. Тогда равновесное состояние системы Zр смещается в направлении множества Z7 и состав Zр следующий: N2 = 75%, O2 = 17,97%, CO = 0,01%, CO2 = 3,61, CH = 4,41%. Достижимость равновесного состояния определяется временем и условиями процесса нейтрализации.

Развитие процесса восстановления в направлении множеств {Z8}…{Z12} практически не имеет ограничения, поэтому возможно состояние локального равновесия, то есть смещение равновесного состояния Zр → Zр1. Состав множества изменится, и в ОГ будет присутствовать остаточное количество оксидов азота равное, приблизительно 3,4 % от общего количества ОГ.

N02. _219i4

Рисунок 2. Изменение функции Гиббса (значения функции ^.10⁴ Дж/моль) на многоугольнике материального баланса

Рисунок 3. Значения градиента функции Гиббса для состояний системы – множеств с максимальным значением веществ {NH}; {NO},…,{O2}

Таким образом, разработанная термодинамическая модель нейтрализации оксидов азота, показывает, что эффективность нейтрализации значительно возрастает при многократной рециркуляции ОГ и небольших значениях восстановителя. Предложенная модель нейтрализации оксидов азота ОГ позволяет учи- тывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля.

Исследования двигателя ЗМЗ– 4062.10 проводились согласно ГОСТ 14846-81 с использованием обкаточнотормозного стенда BOSCH LPHY (рис. 4, 5). Методикой предусматривалось проведение исследований работы двигателя на режимах эквивалентных режимам ездового цикла ГОСТ Р 41.83 – 2004 с установленным нейтрализатором оксидов азота.

Таким образом, установлено, что в диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя (рис. 6 – 9) ЗМЗ -4062.10 (от 4000 мин-1 до 5200 мин-1) значения концентрации оксидов азота в ОГ составляют 1000 … 2500 ppm, что значительно превышает допустимые нормы. Установленные закономерности изменения концентрации оксидов азота в ОГ, показали, что необходимо исследовать процесс нейтрализации оксидов азота ОГ в зависимости от температуры ОГ (нагрузки двигателя), частоты вращения двигателя.

На режимах эквивалентных городскому и внегородскому циклов, имитирующих условия эксплуатации автомобилей, определены значения токсичности выбросов ОГ, по которым можно оценить действительную концентрацию, в том числе оксидов азота в ОГ при работе двигателя в режимах разгона (рис. 8, 9).

Значения концентрации оксидов азота, при эксплуатации автомобиля в городских условиях, составляют от 260 до 2100 ppm, в зависимости от режима движения и времени разгона, что в 2 – 2,5 раза больше, чем на установившихся режимах. Данная концентрация недопустима, велика и при эксплуатации автомобилей приводит к загрязнению окружающей среды и превышению существующих предельно допустимых норм выброса.

Так же, были даны рекомендации по эксплуатации модернизированного модуля нейтрализации оксидов азота ОГ.

Подача восстановителя осуществляется из расчета поддержания оптимальной скорости подачи (1 мг/мин) в восстановительную камеру. Нейтрализатор устанавливается не далее 500 мм от двигателя и эксплуатируется при температурах ОГ выше 400 0С, то есть подача восстановителя осуществляется автоматизировано по средством электромагнитного клапана – дозатора 2W21. При достижении заданной температуры, термопара ТХК 008 подает сигнал к микропроцессорному измерителю – регулятору ТРМ – 1, который в свою очередь открывает электромагнитный клапан, вследствие чего происходит подача восстановителя в нейтрализатор оксидов азота ОГ.

Рисунок 4. Нейтрализатор оксидов азота ОГ: 1 – корпус; 2 – входной патрубок; 3 – выходной патрубок; 4 – ребра жесткости; 5 – смесительная камера; 6 – корпус смесительной камеры; 7 – цилиндрический кольцевой канал; 8 – суживающееся сопло; 9 – кольцевое сечение; 10 – трубка подачи газа-восстановителя; 11 – трубка противодавления; 12 – электромагнитный клапан системы подачи

] 2000-2500 □ 1500-2000 □ 1000-1500 □ 500-1000 □ 0-500

Pe, %

Рисунок 7. Зависимость выброса NOx от нагрузки и температуры ОГ, при n = 5200 -1 мин

Рисунок 5 – Обкаточно-тормозной стенд BOSCH LPHY: 1 – двигатель ЗМЗ - 4062, 2 – гидравлический нагрузочный стенд Bosch LPHY, 3 – ПК, 4 – измеритель - регулятор микропроцессорный, 5 – газоанализатор

BOSCH ESA 3.250, 6 – нейтрализатор ОГ.

□ 1800-2000 □ 1600-1800 □ 1400-1600 □ 1200-1400

□ 1000-1200 □ 800-1000

Е

Pe, %

□ 400-600

□ 1200-1400 □ 1000-12006 □ 800-1000  □ 600-800

□ 400-600     200-400   □ 0-200

n, мин-1

Мкр, Н*м

Рисунок 9. Зависимость выбросов NOx от частоты вращения и развиваемого крутящего момента (городской цикл) частота вращения от 1700 мин^-1до 3000 мин^-1для двигателя ЗМЗ – 4062.10

Рисунок 6. Зависимость выброса NOx от нагрузки и температуры ОГ, при n = 4000 -1

мин

□ 2000-2500 □ 1500-2000 □ 1000-1500 □ 500-1000 □ 0-50

о Тог, С

Рисунок 9. Зависимость выброса NOx от частоты вращения и температуры отработавших газов (внегородской цикл), частота вращения от 1700 мин^-1до 3500 мин^-1для двигателя ЗМЗ – 4062.10

Резервуар для восстановителя смонтирован и прикреплен в подкапотном пространстве на стенке моторного отсека. Для защиты от температурных перепадов резервуар покрыт теплоизоляционным материалом «Mascoat». Резервуар имеет емкость один литр, обеспечивает пробег автомобиля около 5000 км. Годовой экономический эффект от применения разработанного модуля нейтрализатора оксидов азота ОГ составляет 2570 рублей на один автомобиль. Срок окупаемости данного средства составит 2 года.

Разработанная термодинамическая модель нейтрализации оксидов азота по- казывает, что эффективность нейтрализации значительно возрастает при многократной рециркуляции ОГ и небольших значениях восстановителя. Предложенная модель нейтрализации оксидов азота ОГ позволяет учитывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля.