Исследование показателей работы нейтрализатора оксидов азота бензинового двигателя 4ч9,2/8,6 в условиях городского цикла

Для оценки экологических качеств двигателей легковых автомобилей применяют ездовой цикл, состоящий из двух частей (рис. 1) -простой городской цикл и внегородской, имитирующий движение по трассе. Основные данные городского цикла следующие: пробег автомобиля – 1013 метров, время – 195 секунд, максимальная скорость – 50 км/час, средняя скорость – 19 км/час. Параметры внегородского следующие: пробег автомобиля – 6955 метров, время – 400 секунд, максимальная скорость – 120 км/час, средняя скорость – 62,6 км/час.

Для проведения исследований работы двигателя 4Ч9,2/8,6 для имитации условий эксплуатации автомобилей использовалась методика [3], по которой для параметров используемого испытательного оборудования нагрузочного стенда определяются режимы, эквивалентные режимом городского цикла.

Рисунок 1. Ездовой цикл ГОСТ Р 41.83-2004

На нагрузочном стенде имитировались не только установившееся движение автомобиля, но число и параметры режимов частичных нагрузок, которые выбирались таким образом, чтобы отражалась картина реального распределения режимов работы двигателя в процессе движения автомобиля по сертификационному ездовому циклу.

Методика определения эквивалентных режимов базируется на следующих допущениях. Неустановившиеся режимы разгонов автомобиля заменяются установившимися режимами испытаний на нагрузочном стенде. Режимы принудительного холостого хода заменяются режимом холостого хода с повышенными оборотами коленчатого вала двигателя.

Количество эквивалентных режимов определяется исходя из анализа графика ездового цикла. Каждый этап разгона представляется числом точек, соответствующих числу используемых при разгоне ступеней коробки передач. Каждый этап равномерного движения представляется одной точкой, а этапы холостого хода и замедления – точкой холостого хода. Таким образом, городской ездовой цикл представляется 11-ю режимами (рис. 1).

При расчете эквивалентных режимов кроме характеристик ездового цикла необходимо знать параметры конструкции автомобиля. Каждый эквивалентный режим определяется совокупностью двух показателей: скоростью движения и мощностью сопротивления движению автомобиля.

В поле рабочих режимов ДВС существуют три принципиально различные области, отличительным критерием которых является нагрузка. Границы областей находятся примерно на уровне 0,25M max (малые – средние нагрузки) и 0,65M max (средние – большие нагрузки). Кроме того, в области малых нагрузок целесообразно выделять зону, непосредственно примыкающую к холостому ходу при минимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Границей этой зоны выбрана частота вращения, равная n хх_min + 500 мин .

Все точки, попавшие в одну зону, представляется целесообразным сводить к одной. Таким образом, после группировки останется всего 4 эквивалентных режима, расположенных во всех областях работы двигателя.

После группировки точек работы двигателя на эквивалентных режимах производится обратный пересчёт частоты вращения двигателя – в скорость автомобиля, а крутящего момента двигателя – в мощность, рассеиваемую тормозной установкой тягового стенда.

Измерив концентрации вредных веществ в ОГ на эквивалентных режимах, можно оценить уровень пробеговых выбросов автомобиля.

Снижение выбросов наиболее токсичного компонента – оксидов азота, в отработавших газах (ОГ) возможно при улучшении работы двигателя, в том числе на переходных режимах. Для решение проблемы снижения загрязнения окружающей среды, необходима экологизация автомобилей, включающая применение систем очистки ОГ – нейтрализаторов.

Установка для исследований показателей работы нейтрализатора оксидов азота ОГ была создана на базе автомобильного двигателя 4Ч9,2/8,6 (ЗМЗ 406.2.10) [2]. Стенд оснащен системами, обеспечивающими его функциони- рование на всех режимах исследований, а также контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой необходимой для работы и проведения исследований параметры двигателя и системы очистки ОГ. Комплектация двигателя соответствовала требованиям ГОСТ 14846-81. В качестве нагрузочного устройства используется мощностной тормоз LPHY (рис. 2). Для нейтрализации оксидов азота в отработавших газах был использован принцип некаталитического высокотемпературного восстановления оксидов азота аммиаком. Для дозирования аммиака использовалась система подачи, включающая в себя: электромагнитный клапан, микропроцессорный измеритель-регулятор и хромель – копелевую термопару. Система включалась по средствам электромагнитного клапана после получения сигнала от термопары при достижении температуры ОГ 400 °С [1].

Рисунок 2. 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

Рисунок 3 – Изменение токсичности выброса при установке нейтрализатора

Таблица 1. Значение пробеговых выбросов оксидов азота

	Коэффициент, учитывающий увеличение расхода ОГ	Продолжительность j-того этапа	Без нейтрализатора			С нейтрализатором
			Концентрация загрязнителя на j-том режиме		Масса загрязнителя на j-том режиме	Концентрация загрязнителя на j-том режиме		Масса загрязнителя на j-том режиме
	k jQ	t j с	Noxj млн-	Noxj г/м	m Noxj г	Noxj млн-	Noxj г/м	m Noxj г
1	-	102	-	-	-
2	3,4	57	422	0,8662	54,08	215	0,4413	27,73
3	1,58	19	985	2,0219	19,41	348	0,7143	7,76
4	4,98	17	1686	3,4608	94,72	562	1,1535	32,66
Е k				ЕNOx=0,504 г/км.		ЕNOx=0,21 г/км.

Исследование токсичности двигателя проводилось на моторном стенде, при реализации эквивалентных режимов и при снятии скоростной характеристики двигателя (рис. 2;3).

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) [5;6]

[N 2 , O 2 , H 2 O, CH ⋅ , CH 2 ⋅ , NH ⋅ , NH 2 ⋅ , NO,

NO 2 , C, CO, CO 2 , NH 3 ], граф модели восстановления оксидов азота.

Для любого вектора – состояния системы, выполняется уравнение баланса масс

0,0769у6 + 0,25у7 + 0,111у8 + 0,1765у9 +0,0667у12 +0,125у13 ≤1,0007;

у3 + 0,4286у4 + 0,273у5 + 0,9231у6 + 0,75у7 ≤0,0027 ;

у2 + 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 Y i , позволяющий построить многоугольник материального баланса (рис. 4). 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 взаимопревращений компонентов, составляющих систему D_N (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 состояние системы определяется исследованием изменения значений функции Гиббса Ф i , которое рассматривается при неизменных внешних условиях – температуры, давления. Величина температуры

∑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. 4)

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(Z 3 ) = -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 rd ф

= , что определяет наиболее вероятное развитие процессов восстановления оксидов азота - ф23 = 1,04, ф2? = 1,01 (рис. 4; 5). Вероятность развития процесса в направлении множеств Z3 и Z7 отличается незначительно, то есть возможно развитие процесса в направлении множеств Z7 и Z3 . Соотношение концентраций множеств Z7 и Z3 определяет в конечном итоге время и эффективность процесса нейтрализации, для любого возможного исходного состояния Zk. Исходное состояние системы Zk расположено в области множеств Z4 {NO2}, Z3 {NO} и определяется заданным значением концентрации NH3, то есть значением функции Гиббса Фк = -308*104Дж/кмоль. Тогда равновесное состояние системы Zр смещается в на- правлении 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 {Z 8 }…{Z 12 } практически не имеет ограничения, поэтому возможно состояние локального равновесия, то есть смещение равновесного состояния Z р → Z р1 . Состав множества изменится, и в ОГ будет присутствовать остаточное количество оксидов азота равное, приблизительно 3,4 % от общего количества ОГ.

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 учитывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля.

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 учитывать особенности работы бензинового двигателя, характерные для условий эксплуатации автомобиля. Разработан модернизированный модуль нейтрализации оксидов азота ОГ, позволяющий снизить выброс оксидов азота до 65% на неустановившихся режимах и выполнить нормы Евро - IV в условиях эксплуатации автомобилей.