Разработка окислительного нейтрализатора для дизельных двигателей (osnov_chast)

Посмотреть архив целиком

Содержание

Введение.

  1. Техническое задание.

  2. Токсичность, влияние ее на человека. Допустимые нормы по отработавшим газам.

    1. Анализ токсичности и требования по ГОСТ 14846 согласно Евростандарту.

    2. Токсичность и влияние на организм человека отработавших газов.

    3. Выбросы и соответствующие системы контроля двигателей.

  3. Анализ способов нейтрализации вредных веществ выпускных газов.

3.1 Нейтрализация выпускных газов

3.1.1 Термический нейтрализатор

      1. Каталитический окислительный нейтрализатор

      2. Жидкостные катализаторы

      3. Каталитический нейтрализатор

3.2 Способы снижения оксидов азота

  1. Система окислительного нейтрализатора NOx.

    1. Схема и принцип работы окислительного нейтрализатора

    2. Расчет потребляемых компонентов для работы окислительного нейтрализатора

    3. Технологические расчеты.

4.3.1 Расчёт топливного насоса

4.3.2 Расчёт форсунки




4.3.3 Подбор ёмкости для мочевины

4.3.4 Расчёт на прочность пружины

  1. Технико-экологические показатели

5.1 Экономические затраты на систему окислительного нейтрализатора

5.1.1 Определение прямых эксплуатационных затрат

  1. Безопасность жизнедеятельности

    1. Источники загрязнения и разрушения экосистем

    2. Нормирование загрязнения атмосферного воздуха

    3. Способы очистки газовых выбросов в атмосферу

  2. Литература

Приложения

Стр.
















Введение

В настоящее время Россия остается в числе ограниченного круга мировых производителей, имеющих развитую дизелестроительную промышленность, призванную обеспечить экономическую, энергетическую, транспортную и оборонную безопасность страны. Исходя из положений «Основных направлений государственной политики развития автомобильной промышленности России на период до 2005 года», утвержденных постановлением правительства РФ № 0286 от __ марта 1999 года и «Концепции развития автопрома до 2010», которая была одобрена 21 марта 2002 года, дизелестроительная область в этих документах включена в перечень приоритетных отраслей промышленности, а производство двигателей рассматривается не только с позиции их применения как автомобильных компонентов, но и как самостоятельного продукта для использования в самых различных целях, где обеспечивается выполнение прогрессивных, технических требований, прежде всего по экологии, топливной экономичности, надежности.

Значительной частью отечественного дизелестроения является производство двигателей ОАО «КАМАЗ». С момента пуска завода произведено около 2,63 миллиона двигателей. При этом, начиная с 2001 года, все грузовики, сходящие с главного сборочного конвейера автозавода, оснащаются дизелями только уровня EVRO 1 и EVRO 2. На их базе камские моторостроители создают десятки модификаций двигателей. При этом акцентируется внимание на необходимости разработки и производства новейших конструкций и создание мощностей по выпуску отдельных компонентов двигателей и их систем, которые не выпускались раньше или производились в недостаточных количествах. В первую очередь это касается турбокомпрессоров и теплообменников охлаждения надувочного воздуха, топливной аппаратуры с повышенной энергией впрыска, электронных систем регулирования подачи топлива, нейтрализаторов отработавших газов и других систем снижения выбросов вредных веществ.

Еще в начале 1995 года руководством «КАМАЗа» было принято решение об ускорении разработок и внедрение в производство дизелей мирового уровня по экологическим показателям. Коренная модернизация двигателей «КАМАЗ» завершился в сентябре 1995 года сертификацией трех моделей на соответствие требованиям EVRO 1 – 740.20—260 , 740.21—240 и 740,11—240 ,

Наиболее перспективным для применения в составе модернизированных транспортных автомобилей стал дизель «КАМАЗ-740» с номинальной мощностью 260 л/с при частоте вращения коленчатого вала 2200 об/мин и максимальным крутящим моментом 110 кг*м. Этот турбонаддувной двигатель с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха является продуктом глубокой модернизации прежних моторов с разунификацией близкой к 100 процентам. Его технико-экономические показатели находятся на уровне мировых аналогов, что подтверждено как стендовыми, так и лабораторно – дорожными и эксплутационными испытаниями автомобилей.

Именно поэтому этот дизель был выбран для первоочередной доводки до требований правил № 49 – 02 В (EVRO – 2) . Двигатель прошел все необходимые испытания и был сертифицирован на соответствие требованиям EVRO – 2 .

Для этого потребовалось внести серьезные конструктивные изменения в топливоподающую аппаратуру, газораспределительный механизм, головку цилиндров, цилиндропоршневую группу и в систему газотурбинного наддува. Кроме этого была проведена необходимая оптимизация систем охлаждения двигателя , охлаждение надувочного воздуха , впуска и очистки воздуха , выхлопа отработавших газов .

В последнее десятилетие ведутся исследования по снижению вредных примесей ДВС в атмосферу. Одним из лучших вариантов использования в современной практике являются следующие способы снижения выбросов оксидов азота:

а) использование водно – топливной эмульсии

б) применение метанола в качестве добавок

( для бензиновых двигателей)

в) использование каталитических конвертеров

г) понижение степени сжатия

д) применение окислительного нейтрализатора

е) снижение максимальной температуры сгорания.

Наиболее перспективным и с лучшим эффектом можно использовать окислительный катализатор, подобные исследования уже проводились в таких странах как Германия и Америка. Среди отечественного транспорта одним из массовых используемых автомобилей является «КАМАЗ», который требует определенной модернизации для снижения выбросов оксидов азота.


















1.Техническое задание

Спроектировать систему по сокращению выбросов диоксида азота согласно требованиям европейских и отечественных стандартов для повышения экологических свойств двигателя. Выполнить задание на примере двигателя КамАЗ – 740.

Таблица 1.1

Краткая характеристика КамАЗовского двигателя.




Двигатель : дизельный с воспламенением от сжатия

Тип

Номинальная мощность квт ( л.с ) 176(240)

Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности об/мин.

2200

Расположение и число цилиндров

V – образное , 8

Диаметр цилиндра и ход поршня , мм

120/120

Рабочий объем , л

10,85

Степень сжатия

16

Максимальный крутящийся момент Н*м (кгс*м)

833(85)

Количество потребляемого топлива , л/100км

25

Таблица1.2

Концентрация токсичных веществ в выпускных

газах двигателя КамАЗ-740




Тип двигателя

СН мил-1

СО, %

NOx млн-1

Сажа г/м3

Двигатель с принудительным воспламенением

100-

3500

0,2-6

400-

4500


0,05

Дизели с нераздельными камерами сгорания

50-

1000

0,05-0,3

200-

2000

0,1-0,3

Дизели с раздельными камерами сгорания

50-

300

0,03-0,05

200-

1000

0,1-0,15

Отечественные автомобили с дизельными двигателями могут использовать по дорогам европейских стран, так как концентрация отработавших веществ в выпускных газах превышает допустимые нормы согласно требованиям Евро-1, Евро-2 и т.д. Одним из компонентов отработавших веществ является диоксид азота. В отечественной практике не оказалось особого внимания на нормирование оксидов азота в отработавших газах. Огромное количество грузового автотранспорта оснащено двигателями заводов ЯМЗ и КамАЗ, из-за невыполненного требования стандартов на выброс отравляющих веществ в отработавших газах отечественный автопарк несёт большие экономические потери при перевозке грузов по странам Европы. Для выполнения этих требований применяются следующие системы очистки и уменьшения выбросов оксидов азота:

  1. Использование водно-топливной эмульсии

  2. Применение метанола в качестве добавок (для бензиновых двигателей)

  3. Использование каталитических конвертеров

  4. Понижение степени сжатия

  5. Применение окислительного нейтрализатора

  6. Снижение максимальной температуры сгорания

Нами применяется способ по снижению диоксида азота на основе использования каталитического конвертера. В основе этого способа лежит осуществление каталитических свойств по расщеплению оксидов азота.


























2.Токсичность , влияние на человека и допустимые нормы по отработавшим газам

2.1 Анализ токсичности и требования по ГОСТ 14846 Евро 1 , Евро 2 , Евро 3 , Евро 4


Токсичностью является ядовитость , способность некоторых химических элементов , соединений и биогенных веществ оказывать вредное воздействие на организм человека , растений , животных.

Задача снижения выбросов вредных веществ автомобиля решается как путем совершенствования процессов сгорания дизельного топлива в двигателе , так и за счет устранения вредных частиц выброса благодаря применения мочевины и многоступенчатого катализатора. При применение каталитических преобразователей – нейтрализаторов весь объем отработавшего газа проходит через нейтрализатор , который выполняет следующие функции : дожигание вследствие чего сокращается количество CH и CO ; каталитическое окисление ( платина , палладий ) при t 480 0 С , в результате чего вредные примеси превращаются в H2 O ( пар ) и СО2 . В ряде схем каталитические преобразователи объединяются с системой подачи воздуха в выхлопной коллектор , что улучшает качество очистки . При преобразовании CH и СО нейтрализатор называется двухступенчатым . При дополнительном воздействии на NOх (с использованием катализатора на основе соединений радия ) . Это соединение разлагается на кислород и азот . Такие нейтрализаторы называются 3х ступенчатыми и практически обеспечивают безвредный состав отработавших газов . Преобразование NOх возможно только в том случае , если состав рабочей смеси регулируется.




Современные нормы токсичности отработавших газов автомобилей.

Таблица.

Правила ЕЭС

Год введения

Содержание в выхлопе , г /кВт ч

NOх

СО

СН

Твердые частицы

ECR R 49.00

1982

18

14

3,5

Не регламентировано

Evro 0

1988

14,4

11,2

2,5

тоже

Evro 1

1993

8,0

4,5

1,1

0,36

Evro 2

1996

7,0

4,0

1,1

0,15

Evro 3

2000

5,0

2,0

0,6

0,10

Evro 4

2004

3,5

1,8

0,5

0,09


Практикой установлено , что за последние годы , отечественная автомобильная промышленность выпускающая грузовые автомобили , не по каким европейским стандартам не допускает въезд на территорию городов большегрузного транспорта. Отсутствие достаточной нормативной базы , низкий эффект экономического механизма управление охраной окружающей среды на транспорте. В 1992г. Россия присоединилась к международному соглашению по экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН. Это создало правовую основу для того , чтобы требовать от промышленности их выполнения , а также для разработки транспортного законодательства . Но одних законодательных актов недостаточно. Дело в том , что изготовляемая в России автомобильная техника не соответствует Правилам ЕЭК по техническому уровню и прежде всего по топливной экономичности и экологическим показателям. На сегодняшний день в страны ближнего и дальнего зарубежья как Латвия , Эстония , Литва отечественные грузовики не выпускают за пределы государственной границы , по той простой причине несоответствования нормам ЕЭС. На внутреннем рынке наша страна теряет до 76 % оборотных денежных средств из – за плохих показателей двигателей отечественных автомобилей ( шумности , дымности , загазованности ).

2.2.Токсичность и влияние на организм человека отработавших газов.


По воздействию на организм человека компонентов отработавших газов подразделяются на : 1.Токсичные – оксид углерода , оксиды азота , оксиды серы , углеводороды.

2.Канцерогенные – бензапирен.

3.Раздражающего действия – оксиды серы , углеводороды.

Влияние из всех перечисленных компонентов отработанных газов на организм человека зависит от их концентрации в атмосфере и продолжительности воздействия. Оксид углерода – газ без цвета и запаха . При вдыхании проникает в кровь и образует комплекс соединений с гемоглобином. Оксид углерода реагирует с гемоглобином в 30 раз быстрее , чем с кислородом , что приводит к развитию кислородной недостаточности. Признаком является нарушение центральной нервной системы , поражение дыхательной системы , снижение остроты зрения . Увеличение среднесуточной концентрации способствует возрастанию смертности лиц с сердечно – сосудистыми заболеваниями . Оксид углерода в воздухе в зависимости от степени концентрации вызывает : слабое отравление через 1ч ( С = 0,05 об. % ) , потерю сознания через несколько вдохов ( С = 1 об.% ).

Оксид азота – смесь различных оксидов : N O2 , N2 O3 , N2 O4 . Наибольшую опасность представляет NO2 . Воздействие оксидов азота на человека приводит к нарушения функций легких и бронхов . Воздействию оксидов азота в большей степени дети и взрослые , страдающие сердечно – сосудистыми заболеваниями . В воздухе оксиды азота в зависимости от концентрации вызывают : раздражения слизистых оболочек носа и глаз С = 0,001 об. % , начало кислородного голодания С = 0,001 об. % , отек легких С = 0,008 об. % .

Сернистый ангидрид – бесцветный газ с резким запахом , хорошо растворим в воде , образуя сернистую кислоту . Длительное воздействие низких концентраций увеличивает смертность от сердечно – сосудистых заболеваний, способствует возникновению бронхитов , астмы . В воздухе в зависимости от степени концентрации вызывает : раздражение слизистой оболочки глаз , кашель С = 0,001 об. % , раздражение слизистой оболочки горла С = 0,002 об. %

Бензапирен – полициклический и ароматический углеводород . Попадая в организм человека ПАУ постепенно накапливается до критической концентрации и стимулирует образование злокачественных опухолей .

Соединение свинца появляются в отработавших газах в случае применения тетраэтилсвинца . Свинец способен накапливаться в организме , попадая через дыхательные пути , с пищей и через кожу . Поражая центральную нервную систему и кровеносные органы .

В таблице представлено содержание вредных веществ в отработавших газах дизелей и бензиновых двигателей .






Таблица.

Вредное вещество ОГ

Содержание ОГДВС

Дизели

Бензиновые

Оксид углерода

0,005 – 0,5 об. %

0,25 – 10 об. %

Оксид азота

0,004 – 0,5 об. %

0,01 – 0,8об. %

Сернистый ангидрид

0,003 – 0,05об. %

-----------------

Бензапирен

до 10 мкг/м3

до 20 мкг/м3

Соединение свинца

--------------------------

Выбрасывается до 85 % соединений свинца






Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосфере населенных пунктов установленные экспирическим путем , регламентированы списком Министерством здравоохранения от 7мая 1996г. в соответствии с которыми установлены класс токсичности вещества допустимые максимальная разовая и среднесуточная концентрация примесей . Эти концентрации обосновываются клиническими и санитарно – гигиеническими исследованиями и носят законодательный характер .










Таблица.

Предельно допустимые концентрации некоторых веществ , поступающих в атмосферу , мг\м3 .


Вещество

Максимальная разовая

Средняя суточная

Диоксид азота

0,085

0,04

Аммиак

0,20

0,04

Сажа ( копать )

0,15

0,05

Оксид углерода

3,0

1,0

Сернистый ангидрид

0,03

0,005

Фосфорный ангидрид

0,15

0,05

Хлор

0,01

0,03

Пыль

0,15 – 0,5

0,05 – 0,15



Если в атмосферном воздухе одновременно присутствует несколько веществ , обладающих эффектом суммации , то их суммарная концентрация не должна превышать единицы при расчете по формуле : С1 + С2__ + … + Сп__ < 1

ПДК1 ПДК2 ПДКп

где С1 , С2, …Сп - фактические концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе. ПДК1 , ПДК2 , … ПДКп – предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе .

2.3 Выбросы и соответствующие системы контроля двигателей .


Низкий технический уровень отечественных автомобилей и эксплуатацию , не соответствующую требованиям национальных стандартов , подтвердили результаты операции «Чистый воздух», проведенной в 2000г. Практически во всех субъектах РФ отмечено , что доля автомобилей , эксплуатируемых с повышением действующих нормативов по токсичности и дымности в среднем составляет 20 – 25 % и в отдельных регионах страны достигает 40 %.

Основными причинами сложной экологической обстановки является :

- отсутствие надлежащего контроля на предприятиях за соблюдением

нормативов государственных стандартов по токсичности и дымности

отработавших газов транспортных средств,

  • слабый контроль за качеством реализуемого моторного топлива,

  • вьезд на территорию городов больщегрузного транспорта

  • отсутствие достаточной нормативной базы, низкий эффект экономического механизма управления охраной окружающей среды на транспорте.

В 1992 г. Россия присоединилась к международному Соглащению по экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН. Это создало правовую основу для того, чтобы требовать от промышленности их выполнение, а также для разработки транспортного законодательства. Но одних законодательных актов недостаточно. Дело в том, что изготавляемая в России автомобильная техника не соответствует Правилам ЕЭК по техническому уровню и прежде всего по топливной экономичности и экологическим показателям. На сегоднешний день в страны ближнего (Латвия, Эстония, Литва) и дального зарубежья отечественные грузовики не выпускают по причине несоответствования нормам ЕЭС. На внутреннем рынке наша страна теряет до 76% оборотных средств из-за плохих показателей двигателей отечественных автомобилей (шумности, дымности, загозованности)

Для проведения измерений контроля двигателя применяется прибор , работающий по принципу просвечивания отработавших газов которые называются дымомерами .Прибор подключается к выпускной системе автомобиля и нажатием педали подачи топлива установить максимальную частоту вращения вала дизеля . Продолжительность работы на данном режиме должна обеспечивать температуру отработавших газов , входящих в прибор , соответствующую требованиям инструкции по эксплуатации прибора . После этого отпустить педаль . Измерение на режиме свободного ускорения производится при 10 – кратном повторении цикла частоты вращения вала дизеля от минимальной до максимальной быстрым , но плавным нажатием педали подачи топлива до упора с интервалом не более 15с . Замер показателей следует производить при последних четырех циклах по максимальному отклонению стрелки прибора . За результат измерения дымности принимают среднее арифметическое значение по четырем циклам . Измерения считают точными , если разность в показаниях дымности последних четырех циклов не превышает 6 единиц по шкале прибора . Измерение на режиме максимальной частоты вращения следует производить при стабилизации показаний прибора ( размах колебаний стрелки прибора не должна превышать 6 единиц измерения по шкале прибора ) не позднее чем через 60с после измерений . За результат измерения следует принимать среднее арифметическое значение от крайних значений диапазона допустимых колебаний . Измерение дымности у автомобиля с раздельной выпускной системой следует проводить в каждой из выпускных труб отдельно . Оценку дымности проводят по максимальному значению . Колебание стрелки прибора не должно превышать _ + 3 % от всей шкалы прибора . За результат измерения следует принимать среднее арифметическое значение , определенное по крайним показателям . У отечественных двигателей вредные вещества находящиеся в отработавших газах , можно просмотреть в следующем виде.

Таблица.

Удельное содержание вредных веществ в отработавших газах.

Вещества

В г(квт*ч)

В % пообъему

четырехтактные дизели

двухтактные дизели

дизели

Окись углерода

4,0 – 5,5

11

менее 0,2

Окислы азота

12 - 19

19

0,25

Углеводороды

2,0 – 4,0

8,0

менее 0,01

Альдегиды

0,14 – 0,2


0,34

0,002

Сернистый ангидрид

0,95

1,0

0,03

Сажа

1,4 – 2,0

1,22

0,25






























3. Анализ способов нейтрализации вредных веществ выпускных газов


3.1. Нейтрализация выпускных газов

Снижения уровня выбросов токсических веществ с выпускными газами двигателей можно достичь воздействием на рабочий процесс с целью уменьшения образования этих веществ в процессе сгорания, оборудованием двигателя системами нейтрализации выпускных газов и применением топлив, в продуктах сгорания которых содержится меньше токсичных веществ. При оценке эффективности перечисленных способов исходят из стремления получить выбросы токсических веществ в допустимых пределах без ущерба для мощности и экономичности двигателя при минимальном удорожании силовой установки с двигателем.

Степень нейтрализации оценивается отношением:


(3.1)


где

mТ.В.Вх.- концентрация токсичных веществ на входе;

mТ.В.Вых. - концентрация токсичных веществ на выходе;

Степень нейтрализации токсических веществ – это отношение разности концентрации токсичных компонентов на входе в нейтрализатор и на выходе из него к их концентрации на входе.

Применяемые в настоящее время способы воздействия на рабочий процесс для снижения токсичности двигателя приводят, как правило, к уменьшению его мощности и к увеличению расхода топлива и кроме того в двигателях с











принудительным воспламенением не обеспечивают пока допустимого уровня токсичности. Поэтому установки с двигателями оборудуются системами нейтрализации, в которых предусматривается снижение концентрации токсических веществ воздействием на рабочий процесс и применением устройств для нейтрализации и очистке газов в выпускном трубопроводе -нейтрализаторов и очистителей. Системами нейтрализации выпускных газов оборудуются все современные автомобильные бензиновые двигатели с принудительным воспламенением, автомобильные дизели – только в условиях эксплуатации с недостаточным воздухообменом.

В термических и каталических нейтрализаторах происходят химические реакции в результате чего уменьшается концентрация газовых компонентов токсических веществ. Механические и водяные очистители применяются для очистки выпускных газов от механических частиц (сажи) и капелек масла. Последнее используется редко.

3.1.1. Термический нейтрализатор

Термический нейтрализатор представляет собой камеру сгорания, которая размещается в выпускном тракте двигателя для дожигания продуктов неполного сгорания топлива – СН и СО. Он может устанавливаться на месте выпускного трубопровода и выполнять его функции. Реакции окисления СО и СН протекают достаточно быстро при температуре свыше 8300С и при наличии в зоне реакции несвязного кислорода. Термические нейтрализаторы применяются на двигателях с принудительным воспламенением. Термические нейтрализаторы мало эффективны на режимах холостого хода и малых нагрузках, т.к. t выпускных газов недостаточно высокая и реакция протекает медленно.

3.1.2. Каталитические, окислительные нейтрализаторы

В каталитических, окислительных нейтрализаторах (при наличии избыточного кислорода в выпускных газах) с катализаторами из благородных металлов – платины, палладия, платины и родия – достаточно высокая скорость окисления СО и СН обеспечивается при сравнительно невысоких t, значительно меньше, чем в термическом нейтрализаторе. Окись углерода окисляется СО2 при 250-3000С, углеводороды, бензпирен, альдегиды при 400-4500С при этом у выпускных газов почти пропадает неприятный запах При t 5800C сгорает сажа. Для увеличения поверхности контакта с газами катализатор наносится тонким слоем на поверхность носителя из кремнезема или глинозема в виде шариков.

Р
исунок 3.1.


Комбинированный катализатор нейтрализатор с шариковым носителем.

1- Лопатки 2- пробка 3- камера востановления NOx 4- подвод дополнительного воздуха 5- камера окисления СН и СО


В случае применения термического или окислительного нейтрализатора выбросы СН и СО удается снизить до установленных норм. Концентрация оксидов азота не изменяется или изменяется очень мало. Для уменьшения концентрации оксидов азота в системах с окислительными нейтрализаторами применяется рециркуляция выпускных газов. С этой целью выпускные газы в количестве до 10% объема свежего заряда отбирается из выпускного трубопровода, охлаждается и направляется во впускную систему.


3.1.3. Жидкостные катализаторы


В данном способе отработавшие газы проходят через слой жидкости в которой в зависимости от её состава связываются или растворяются токсичные компаненты. Жидкостные катализаторы главным образом поглащают альдегиды, частично окиси азота и улавливают сажу. Процесс осуществляется при сравнительно низкой температуре 40-800С. Поскольку в таких нейтрализаторах нейтрализация окислов азота ограниченпо применению только на дизелях, чаще всего используются комбинации с др. системами нейтрализации. При прохождении отработавших газов через жидкостную среду создается сопративление на выпуске, которое сокращяет подачу свежего заряда и сокращает момент проветривания камеры сгорания от остаточных газов. Тем самым эффективность до 10%.

      1. Каталитические нейтрализатры


Каталитические нейтрализаторы с восстановительной средой используют в системах для уменьшения выбросов оксидов азота. Восстановление NO с образованием N2 становится возможным при наличии достаточно высокого содержания СО в выпускных газах:

2NO + 2CO N2+ 2CO2


При  в выпускных газах содержится водород поэтому возможна реакция с образованием аммиака:

2NO+5H2 2NH3+2H2O

В каталитическом нейтрализаторе с катализатором из благородных металлов можно снизить выбросы всех трех токсичных газовых составляющих – СН, СО и NOx но лишь при условии , что состав горючей смеси отличается от стехиометрического (при не более чем на 1%. Такие нейтрализаторы называются трехкомпонентными. Наилучшие результаты с платиновыми катализаторами.

Возможны также комбинации термического нейтрализатора с католитическим в двух вариантах: 1) первым устанавливается каталитический для нейтрализации NOx , а вторым термический для дожигания СН и СО рис3.2

2) первым устанавливается термический, а вторым окислительный католитический для дожигания СН и СО. Дополнительный воздух для окисления СН и СО подводится во второй нейтрализатор.
















  1. датчик

  2. замедлитель импульсов

  3. датчик

  4. глушитель


3.2 Способы снижения окислов азота

В современной практике применяются несколько способов по снижению выбрасов оксидов азота .Главной целью при модернизации двигателя было снизить температуру сгорания до 20000 Кельвина. Для этого применяются ряд конструкционных мероприятий.

  1. использование водно - топливной эмульсии. Эмульсия получается в следствии тщательного перемешивания топлива с водой в различных пропорциях до получения галогенной смеси. Впрыск эмульсии в цилиндр позволяет снизить температуру горения с 24000 К до 21000К. Суммарная выходная мощность двигателя снизилась на пятнадцать , двадцать процентов, а эффективность по снижению выбросов азота составляет пятнадцать процентов.

  2. Также на дизелях применяется способ по снижению токсимальной температуры сгорания путем впрыска воды в конце горения. Эффективность данного способа составляет 17% + снижение мощности до 15%. Такую систему чаще применяю для карьерной техники и техники находящейся в ограниченных помещениях.

  3. Для бензиновых двигателей применяли в качестве присадки топлива метанол, но эффективность такого способа составляет всего 10%. Для дизелей этот способ не применяется из-за физико-химических свойств топлива.

  4. Последние годы в виду форсированности двигателя внутреннего сгорания широко применяется способ понижения степени сжатия, что ведет к уменьшению температуры сгорания в цилиндре. Эффективность такого метода достигает до 25%.

  5. В практике для снижения оксидов азота встречается способ применения рецеркуляции газового впрыска, смысл которого заключается в том, что до 10% отработанных газов впускают в впускной трубопровод с целью дожигания остатков топлива и введения в реакцию активного оксида азота, находившегося в выпускных газах с новой горючей смесью. Эффективность данного способа составляет до 40%.

  6. В зарубежной практике широко используется применение каталитических конвертеров, которые позволяют токсичным веществам пройти через дополнительные реакции, что ведет к снижению их класса опасности. Эффективность данного процесса достигает двадцать два процента. Но ввиду применения в конвертах цветных благородных металлов стоимость устройства значительно возрастает , что для грузовых автомобилей их применение не эффективно и не целесообразно.

7- Наилучшим способом европейские фирмы считают применение окислительного нейтрализатора , который в свою очередь при подаче специальных компонентов вступают с оксидами азота в реакцию до полного расщепления на нетоксичный элемент. Эффективность применения нейтрализатора достигает шестьдесят процентов. Также плюсом данной системы является использование в качестве эффективного элемента мочевины , как недорогого вещества.

Из анализа существующих способов снижения азота можно составить следующую таблицу (табл 3.1) где представлена процентная эффективность каждого способа.





Таблица 3.1

Способы снижения выбросов оксидов азота

Способы снижения выбросов

азота NOх

Эффективность в %

Использование водно – топливной эмульсии

15

Применение метанола в качестве добавки (для бензиновых)

10

Использование каталитических конвертеров

22

Понижение степени сжатия

25

Применение окислительного нейтрализатора

60

Рециркуляция газов

40

Снижение максимальной температуры сгорания

17

Исходя из данных выбираем способ с наибольшей эффективностью, т.е. применение окислительного нейтрализатора. В качестве активного компонента по расщеплению оксида азота применяем мочевину, которая позволяет привести токсичный оксид азота в нейтральное состояние, расщепляя на безопасные компоненты (N2; O2).








4.Система окислительного нейтрализатора NOх

4.1 Схема и принцип работы окислительного нейтрализатора


После анализа всех используемых нейтрализаторов , можно выделить как наилучшие по эффективности для снижения выбросов оксида азота окислительный нейтрализатор эффективность которого составляет до 60% . При использовании данной схемы есть возможность для отечественного автомобилестроения выйти на нормы Евро 5 . Данная система может применяться не только с дизелями КамАЗ – 740 , но и другими оснащенными пневматической системой. Однако можно применять данную систему с дополнительной установкой пневмосистем , что это повлечет за собой некоторые денежные затраты.

Система окислительного нейтрализатора не имеет особой сложности. Принцип работы заключается в применении специального селективного катализатора SCR с дозированным впрыском мочевины , дозация мочевины осуществляется электромагнитной форсункой , электронный импульс на который поступает от контролера. Управляющий блок автоматически сопоставляет полученные данные с датчиков. Система оснащена жидкостным насосом , который закачивает мочевину из бака и создает необходимое давление. В случае его превышения установлен обратный клапан с возвратом в бак с мочевиной. Давление необходимое в системе должно составлять 0,3 – 0,6 Мпа . Применяем серийный насос с электроприводом для систем с электронным впрыском топлива.

Электромагнитную форсунку оснащаем воздушным каналом от пневмотической системы автомобиля. Давление в системе необходимо поддерживать в параметре 0,4 – 0,5 Мпа. Воздушный поток проходя через форсунку смешивается с мочевиной и впрыскивается в выхлопную трубу в виде облака капель. Моче-




вина является достаточно распространенным и недорогим химикатом который при нагреве выделяет аммиак , тот в свою очередь расщепляет окислы азота на азот и кислород не представляющий опасности для окружающей среды. За расходом мочевины следит контролер впрыска работающий с учетом параметров работы двигателя , получаемых от основного электронного блока.

Расход мочевины составляет 3,5см3 на 1 литр топлива. Желательно применять топливо с пониженным содержанием серы. Классификация предлагаемых топлив рассмотрена в приложении 1. Химический процесс протекает непосредственно в глушителе выпускной системы.

Входе процесса происходит реакция окисления азота NO и NO2 с мочевиной NH3 , в результате получаем безвредный азот и водяной пар. Дополнительно водяной пар выходя из глушителя связывает между собой механические примеси сажи , тем самым утяжеляя их , не позволяя подниматься в воздушное пространство.


4.2. Расчет потребляемых компонентов

для работы окислительного нейтрализатора


Для осуществления нормальной работы системы необходимы два основных компонента , которые позволят достаточно полно входить в реакцию окисления азота:

а) определяем необходимое количество мочевины , согласно того что нормальная горючая смесь 1 : 15 на 1 кг топлива необходимо 15 кг воздуха. Так как в воздухе 71,2% азота может найти количество азота поступающего в цилиндр при сжигании 1 кг топлива.

Ma= (mв * ma|)/100, кг (4.1)

где

Ma – масса азота, кг ;

ma| - массовая доля азота в 1 кг воздуха ;

mв – масса воздуха, кг ;


Ма =(15 * 71,2)/100= 10,62 кг.

Определяем количество оксидов азота поступающего в выпускную систему. Среди оксидов азота наибольшую часть занимают NO и NO2 процент содержания их около 93% . Зная что двигатель КамАЗ – 740 по удельному расходу топлива составляет 156г/кВт*ч , определяем количество кВт*ч , полученных при сжигании 1 кг топлива :

Ве| = (mT * E)/me , кВт*ч (4.2)

где

mTмасса топлива, г ;

Е – энергия мощности кВт*ч ;

meудельная масса топлива, г ;


Ве| =1000*1/156=5,1 кВт*ч

Согласно анализу выбросов оксидов азота двигателя КамАЗ – 740 узнаем , что выделяется суммарное количество оксидов азота NOх при сжигании 156г топлива равное 16 г/кВт*ч. Определим количество оксида азота при сжигании 1кг топлива :

ma = ве| * my , г (4.3)

где

myудельная масса NOx на кВт*ч ;

ma| = 16 *5,1 = 81,6 г

Отсюда , согласно химическим реакциям , для расщепления 100гр NOx необходимо 4,09г мочевины , т.к. при сжигании 1кг топлива получаем 81,6г NOx ; то используя пропорцию получим необходимое количество мочевины для выполнения реакции с NOx при сжигании 1кг топлива


mM = (mM| * ma|)/100, кг (4.4)

где

mMмасса мочевины ;

mM| - масса мочевины необходимая для реакции со 100 гр NOx

mM = (4,09 *81,6)/100= 3,5г = 0,035кг


б) определяем необходимое количество воздуха на 1кг топлива.

Для качественного распыления мочевины требуется соблюдать пропорцию 1:(23…27) отсюда получим уравнение

mв = mm*mв| , кг (4.5)

где

mвколичество воздуха , необходимое для распыления 1кг мочевины.

mв = 0,035 *25 = 8,75кг.

4.3. Технологические расчеты


4.3.1. Расчет топливного насоса .


Рабочее давление топливного насоса Р б.р= 0,3 Мпа , т.к насос способен повышать давление на 0,05 – 0,12 Мпа , то принимаем 3х ступенчатый насос .

Секундный расход топлива :

Uб = Be /(3,6рт); см3(4.6)

где рт = 0,76 г/см3

Uб = 24,5 /(3,6*0,76) = 8,9 см3

Расчетная производительность насоса :

Uб.р = Uб/ ; см3 (4.7) где =0,82 – коэффициент подачи насоса

Uб.р = 8,9/0,82 = 10,1см3

Радиус входного отверстия крыльчатки :

r1= Uб.р/(*С1)+r02 ; м (4.8)



где С1 = 1 – скорость дизельного топлива на входе в насос , м/с

r0 = 0,005 – радиус ступицы крыльчатки , м.


r1 = 10,1* 10-6 /(*0,1)+0,0052 = 7,5 * 10-3м


Окружная скорость потока дизельного топлива на выходе из колеса :


U2 = 1+ tg ctg Pб /(p +h) ; м/с (4.9)


где угол ; а угол 2=450

h=0,65- КПД насоса


U2= 1+tg 100*ctg 450 = 0.1*106/(760*0.65) =15.4 м/с

Радиус крыльчатки колеса на выходе


r2 = 30U2/n; м (4.11)


где n – частота вращения крыльчатки


r2 = (30 * 15.4)/(6000) = 0.0245 м


Окружная скорость входного потока :

U1 = U2r1/r2 ; м/с (4.12)

U1 = 15,4 * 0,0075 /0,0245 = 4,7м/с

Угол между скоростями С1 и U1 принимается ; при этом tgC1/U1 , tg /4,7 = 0,0914 , 


Ширина лопатки на входе :

в1 = Uб.р / (( 2r1z/sin) * C1) (4.13)

где z = 4- число лопаток на крыльчатке насоса ,

0,001 – толщина лопаток у входа , м.

в1 = (10,1 *10-6)/( 2 * 0,075 – 4,0 * 0,001/sin5013| )

Радиальная скорость потока на выходе из колеса :

С r= (Pб * tg / (PТ * h * U2) ; м/с (4.14)


Сr =(0,1 * 106 *tg100)/(760 * 0,65 *15,4)= 2,3 м/с


Ширина лопасти на выходе :

В2 = Uб.р /((2r2z/sin C1 ); м (4.15)


B2 = (10,1*10-6)/(( 2 0,02454 * 0,001 /sin450) * 2,3) = 0,0038м

Мощность потребляемая насосом :

Nб.н= (Uб.р * Р)/(1000 * м); кВт (4.16)


N б.н = ((10,1*10-6)*(0,3*10-6))/1000*0,82 = 0,0037 кВт



4.3.2. Расчет форсунки.

Цикловая подача в объемных единицах :

Uц = (ве *Ре *Т *103)/ (120 * n * i * т); мм3/цикл (4.17)

где

ве – удельный расход топлива при максимальной мощности ;

Ре – максимальная мощность ;

Т – тактность двигателя ;

h - частота вращения коленчатого вала ;

i – количество цилиндров ;

т – удельный вес топлива ;

Uц = (340 * 122 * 4 * 103 ) / (120 * 2200 * 8 * 0,760) = 62мм3/цикл


Средняя скорость истечения топлива ;


W = ( 2 /Pт впр ; м/с (4.18)


где Рвпр=0,3 Мпа


W = ( 2/760 ) * 0,3 = 28,1 м/с

Площадь истечения топлива ;

Sф = Uц/ ; мм2 (4.19)


где = 0,6 – коэффициент расхода ;

Sф = 62/0,6 * 28,1 = 4,49 мм2

4.3.3 Подбор емкости для мочевины.

Стандартная емкость для топлива составляет 250л зная расход мочевины на литр топлива , расчитаем необходимое количество мочевины на бак топлива.


Vб.м = Vб * mm , л (4.20)

где

Vб.м - объем бака мочевины ;

mm расход мочевины на 1л топлива ;

Vб – объем бака ;

Vб.м =250 * 0,035 = 1 л

Принимаем бачек емкостью 1 литр.


4.4.Расчет на прочность пружины.

1.Опредилим крутящийся момент:

Мz=Pmax (D/2) ;Н * мм (4.21)

Мz= 25(5/2)= 62,5 Н*мм

поперечная сила

Qy = P (4.22)













Касательные напряжения от кручения распределены по поперечному сечению, то есть достигают наибольшего значения max z в точках контура и определяются по формуле :

maxMz= Mz / Wp = (8PmaxD)/(d3); МПа (4.23)

где

D – средний диаметр витка ;

d – диаметр проволоки , из которого изготовлена пружина .

max* 13 Мпа


Напряжение соответствующие поперечной силе Qy принимают распределенными по сечению равномерно.

max= maxMz + Qy = (8 PD)/(d3)+P/(d2/4) =((8PD)/(d3))*(1 +d/2D); МПа (4.24)


max=((8 25 5)/ 13)**(1+1/2*5)= 350,2МПа


Обычно вторым слагаемым в скобках пренебрегают но вводят поправочный коэффициент k учитывающий влияние кривизны витков и поперечной силы.

Формула для расчета на прочность :


max= k 8PmaxD / d3 МПа 

Определяем k Cп= D/a 

Cп = 5/ 1 = 5


По таблице 4.2 Ицкович определяем k= 1,31;

max= 1,31* ((8 * 25 *5)(3,14 *13)) = 417,2Мпа


Пружины изготовляют из стали с высокими механическими характеристиками и допускаемое напряжение принимают весьма высоким:

[] = 200 - : - 800 н/мм2


Изменения высоты пружины под действием приложенной нагрузки (для пружин сжатия осадка) определяется по формуле:

= (8PD3n)/(Gd4); витки (4.27)


где

n – число рабочих витков пружины :


0,5*8,0*104*14

n = (Gd4)/(8PmaxD3) (4.28)


n (0.5*8.0*104*14)/(8*25*53) 1,6 витка


так как необходимо обеспечить долговечность пружины принимаем 4 полных витка и 2 торцевых полу витка. Прочность пружины удовлетворяет условию прочности материала.
















5. Технико-экологические показатели


5.1 Экономические затраты на систему

окислительного нейтрализатора


5.1.1 Определение прямых эксплуатационных затрат



Прямые эксплутационные затраты определяем по выражению:

Спр= З + А + Рк + Рm, руб (5.1)

где

З - зарплата обслуживающего персонала;

А – затраты на реновацию;

Рк - затраты на капитальный ремонт;

Рт - затраты на текущий ремонт и плановое ТО;

Э – затраты на энергоноситель (электроэнергию)


Установление этой системы на автомобиль подобно системе подключения электронного впрыска топлива учитывая, что в авто сервисных предприятиях средняя стоимость за установку системы составляет 3,7 тысяч рублей из них на зарплату уходит 75% , то затраты на зарплату (3) будут составлять 2,775 тысяч рублей. З = 2,775 тыс. рублей.

Затраты на реновацию определяются из выражения:

А = ((Бс* Тг*Wруб (5.2)

где

Тггодовая загрузка, ч ;




Принимаем согласно справочным данным о применении системы с непосредственным впрыском Тг= 2100 ч

Бсбалансовая стоимость, руб.;

1 коэффициент отчисления на реновацию;

Принимаем согласно аналогичной системе по впрыску топлива 1=14%

W – часовая производительность.


Принимаем как у системы электронного впрыска согласно справочнику

W= 8%.

Балансовую стоимость системы определяем по выражению:

Бс= Цб + Цт. н + Цэл.м.ф. + Цкон + Цдат + Цэл.пр.т. п., руб (5.3)

где

Цб - цена бака для мочевины; руб

Цт. н- цена топливного насоса; руб

Цэ.м.ф.- цена электромагнитной форсунки; руб

Цкон – цена контролера; руб

Цдат ­– цена датчиков; руб

Цэл.пр. – цена электропроводки; руб

Цт.п. – цена трубопроводов; руб


Цдат. = Цог + Цу.т. + Ц, руб (5.4)

где

Цог – цена датчика отработавших газов; руб

Цу.т. – цена датчика уровня топлива; руб

Ц – цена датчика - зонда; руб

Принимаем для данного автомобиля среднюю производительность

8,4т/км/ч., согласно справочнику.

Бс= 50+8900+720+4500+450+220+480=15400 руб.


Цена форсунки составляет суммарную стоимость дополнительных деталей для модернизации впрыска и стандартных деталей принятой форсунки.

Цффсндмд , руб (5.5)

где

Цфс – цена форсунки стандартной; руб

Цнд – цена неиспользуемых деталей; руб

Цмд – цена модернизированной детали; руб

К модернизированным деталям относятся:

  1. Корпус распылителя.

  2. Игла.

  3. Винт регулировочный.

  4. Пружина возвратная.

Пружину подбираем из стандартных типов пружин согласно произведенным расчетам в разделе 4.3.4. Внешний вид, которой изображен на деталировке лист 8. Согласно каталогу стоимость пружины составляет 18 руб., т.е. Цпр.=18руб.





Таблица 5.1

Смета на изготовление глушителя


Деталь

Количество

деталей

Операции

Разряд

рабочего

Норма

времени,

руб.

Расценка,

руб.

1

2

3

4

5

6

игла

1

1.Токарная

Обработка

2.Шлифование


2


3


3,9


5,5


4,20


2,50

9,4

6,70

Винт

регулировочный

1

1.Точение

2.Нарезание

резьбы

3.Сверление

отверстия

2 (1 шт.)

4. фрезирование


3

3


2



3



3

1,5


1,1



2



4,50

1,20


0,45



2,2

7,6

8,35







Продолжение Табл. 5.1

1

2

3

4

5

6

Корпус

распылителя

1

1.Точение

2.Сверление

Отверстия 6 (1 отв)

3.Сверление отверстия 11 (1 отв)

4.Шлифова-

ние.

3

2



2



3

3

1,1



1,1



5,5

5,20

0,45



0,45



2,50

10,7

8,60

А=(15400*14)/(2100*8,4)*100=1222,22 руб

Определяем затраты на капитальный ремонт


Рк=(Бс*2)/(Тг*W)*100, руб (5.6)

где

2 – коэффициент отчисления на капитальный ремонт системы.

Принимаем согласно аналогичной системе по впрыску лёгкого топлива, 2=4,7%

Рк=(15400*4,7)/(2100*8,4)*100=410,3 руб

Определяем затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание

Рм=(Бс*3)/(Тг*W)*100; руб (5.7)

где

3 – коэффициент отчисления на текущий ремонт и техническое обслуживание системы.

Принимаем согласно аналогичной системе впрыска 3=18%.

Рм=(15400*18)/(2100*8,4)*100=1571,4 руб

Определяем затраты на энергоносители по выражению

З=З, руб (5.8)

где

З - затраты на электроэнергию; руб

З - затраты на смазочные материалы; руб

Затраты на энергоносители составляют сумму затрат на электроэнергию и смазочные материалы и на производство необходимых деталей.

Затраты на электроэнергию определяем по формуле:

З=Е*Ц, руб (5.9)

где

Е – электроэнергия, кВт*ч

Потраченная электроэнергия составляет 37 кВТ*ч

Ц – стоимость 1 кВТ*ч; руб

Согласно тарифам Ц=63 коп. за 1 кВт*ч.

З=37*0,63=23,31 руб

Затраты на смазочные материалы определяем из выражения:

З= Ц*Мм, руб (5.11)

где

Ц - стоимость смазочных материалов, руб

Mм – количество смазочных материалов, кг

Ц - стоимость минерального масла, применяемого при изготовлении деталей составляет 27 руб/кг

Mм – составляют согласно нормам по справочникам 0,087 кг

З=27*0,087=2,35 руб

З=23,31+2,35=25,66 руб

Окончательно прямые эксплуатационные затраты на систему окислительного нейтрализатора составляют

Спр= 2775+1222,22+410,3+1571,4+25,66=6004,56 руб.

При применении предлагаемой системы окислительного нейтрализатора на выпуске отработавших газов можно заменить (исходя из аналитического метода исследования), что выбросы оксидов азота сократятся до 63%, чего будет достаточно для выполнения требований по Евро-1, Евро-2, Евро-3. Основывая эту систему есть возможность применения отечественного грузового транспорта для перевозок грузов по странам Евросоюза, этим самым улучшая внешние торговые экономические отношения страны со странами Европы. В основу экологического анализа входит применение двигателей с содержанием токсических веществ в отработавших газах ниже ПДК, то проводя аналитическое исследование можем прогнозировать следующий результат. Выбросы оксидов азота у автомобилей серии КамАЗ составляют 14,7 г/Квт*ч. При применении предлагаемой системы они сократятся на 63% и будут составлять 4,8 г/Квт*ч, что обеспечит прохождение современных норм токсичности согласно европейских требований, даже при введении жёстких требований Евро-3. Диоксид азота является одним из самых вредных газов воздействующих на организм человека и вызывающий заболевание сердечно-сосудистой системы и верхних дыхательных путей. С 1998 года по 2002 год было отмечено Министерством здравоохранения резкое увеличение заболеваний сердечно-сосудистой системы. Врачами было обосновано, что эта вспышка происходит в основном из-за загрязнения окружающей среды. Самым активным загрязнителем окружающей среды является автомобильный транспорт. Первое десятилетия XXI века официально объявлено десятилетием борьбы с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Во всех субъектах РФ введены технические и инструментальные контроли для проверки автотранспорта при прохождении годовых технических осмотров. В последние годы введен контроль проведения по выбросу оксидов азота в окружающую среду (чего ранее не проводилось). Сокращение выбросов оксида азота позволит улучшить общее экологическое состояние страны и снизить уровень заболеваний. Огромную экономию денежных средств можно получить при уменьшении затрат на лекарственные препараты и обслуживание больных.






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.