Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения Высшего профессионального образования РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

УДК 621.43.068 Шарипов

Акбаралиджан УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ В ПЕРИОД ПРОГРЕВА ПОСЛЕ ХОЛОДНОГО ПУСКА

Специальность 05.04.02 "Тепловые двигатели"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на кафедре теплотехники и тепловых двигателей инженерного факультета в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Российском университете дружбы народов Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Гусаков Сергей Валентинович Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Фомин Валерий Михайлович профессор на кафедре автотракторные двигатели МГТУ "МАМИ".

- кандидат технических наук, доцент Маслов Юрий Лукич доцент на кафедре "Поршневые двигатели" МВТУим.Н.Э.Баумана.

Ведущая организация - Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (ГТУ МАДИ)

Защита состоится 23 мая 2012 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 при Российском университете дружбы народов по адресу:

117302, г. Москва, Подольское шоссе, 8/5, ауд. 4

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке РУДН Российского университета дружбы народов по адресу:

117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, дом

Автореферат разослан Е. апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета: 117198, г. Москва, ул.

Миклухо-Маклая, д.6, Телефоны для справок: 952-62-47, 952-60-E-mail: f e r r y m a n w o r k e r @ y a n d e x. r u

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.203.профессор, к.т.н. Л.В. Виноградов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автомобильный транспорт эксплуатируется в различных климатических условиях, которые оказывают большое влияние на его экологические показатели. Исследования, проведенные в США, Канаде и в Скандинавских странах, показывают, что выброс оксидов углерода и углеводорода с отработавшими газами (ОГ) при эксплуатации автомобилей с двигателями с искровым зажиганием при низких или отрицательных температурах увеличивается в 6 - 10 раз. Поэтому в современных Правилах ЕЭК ООН № 83.предусмотрен дополнительный тип испытаний автомобиля при минус 7С по первой городской фазе ездового цикла и введены отдельные нормы на выброс СО и СН автомобильным двигателем за эту фазу испытаний.

Подобные изменения в процедуре испытаний потребовали от производителей введения в конструкцию автомобильного двигателя новых технических решений, обеспечивающих эффективную работу системы бифункциональной нейтрализации в период прогрева ДВС, особенно при отрицательных температурах окружающей среды. Одним из наиболее эффективных решений является использование в качестве добавок к рабочему телу химически активных веществ.

Все это указывает на актуальность темы диссертационной работы, которая посвящена разработке комплексного метода повышения экологических качеств автомобильного двигателя в период его холодного пуска и прогрева на основе использования химически активного реагента.

Цель работы. Снижение вредных выбросов легковыми автомобилями до уровня нормативных требований действующих и перспективных стандартов РФ путем разработки комплексного метода ускорения прогрева и выхода на режимы эффективной работы бензинового двигателя и системы нейтрализации отработавших газов после холодного пуска.

Исходя из поставленной цели, определены следующие задачи исследования.

1. Сформулировать и методически обосновать комплексный метод улучшения экологических показателей автомобильного двигателя в период холодного пуска и последующего прогрева и ускоренного выхода системы нейтрализации на режим максимальной эффективности путем использования химического активного реагента, полученного в бортовой системе конверсии бензина.

2. Провести расчетно-теоретическое исследование влияния на температурноэнергетическое состояние рабочего тела во впускном и выпускном тракте ДВС и эффективность системы нейтрализации присадки водородосодержащих продуктов конверсии бензина, в период холодного пуска и последующего прогрева.

3. Разработать функциональную систему средств и технических решений для реализации предложенного комплексного метода, адаптированную к условиям работы двигателей легковых автомобилей.

4. Провести серию экспериментальных исследований на моторном стенде для проверки эффективности предложенной системы средств и технических решений, реализующих концепцию предложенного метода.

5. Провести исследование автомобиля с предложенной системой с целью оценки ее эффективности и соответствие перспективным экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН № 83.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являются бензиновые двигатели и разрабатываемые на заводе ОАО АвтоВАЗагрегат каталитические нейтрализаторы ОГ для автомобилей семейства ВАЗ. Решение поставленных задач в соответствии с поставленной целью диссертационной работы осуществлялось с использованием методов теоретического анализа и обобщения ранее проведенных исследований, а также собственных расчетноаналитических и экспериментальных исследований на основе использования стандартизованных и специально разработанных методик исследований.

Достоверность результатов исследований обеспечивалась использованием современных методов, оборудования для испытаний и средств измерений, приемлемым совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными.

Научная новизна.

В процессе выполнения работы был решен ряд обладающих новизной научных задач, основными из которых являются:

Разработан расчетно-аналитический метод поэтапного определения характера изменения температурного состояния рабочего тела на отдельных участках выпускного тракта двигателя и в полостях нейтрализатора на режимах холодного пуска и прогрева ДВС.

Предложена оригинальная стратегия ускоренного прогрева двигателя после его холодного пуска с использованием бортовой системы генерирования и дозированной подачи на впуск химически активных водородосодержащих продуктов конверсии бензина (ПКБ), которые совокупно используются для интенсивного нагрева свежего заряда, а также для химической активации процесса сгорания.

Предложен оригинальный метод интенсификации прогрева и выхода на режим light off нейтрализатора путем подачи и экзотермического окисления в его рабочем пространстве химически активных водородосодержащих продуктов конверсии бензина.

Практическая ценность.

По результатам диссертационного исследования разработан комплекс средств для ускоренного выхода двигателя и системы нейтрализации на эффективный режим работы после холодного пуска. Были спроектированы и изготовлены следующие оригинальные компоненты системы:

1. Термохимический реактор для конверсии бензина с целью получения химически активных водородосодержащих газообразных продуктов.

2. Конвертер-дожигатель на впуске двигателя, служащий для каталитического доокисления продуктов конверсии бензина, которые используются для повышения температуры поступающего в двигатель свежего заряда, а также для инициирования процессов смесеобразования, воспламенения и сгорания в ДВС.

Разработанный пакет рабочих программ, а также ряд практических рекомендаций могут служить основой при разработке новых моделей автомобильных ДВС, обеспечивающих выполнение перспективных нормативных требований по выбросу вредных веществ. Это позволит повысить эффективность проектных и доводочных работ и снизить трудозатраты на их реализацию.

Реализация результатов работы. Теоретические и расчетные результаты проведенного исследования переданы в ФГУП ГНЦ НАМИ для использования при выполнении программ фундаментальных и поисковых исследований.

Материалы диссертации и ее результаты используются в учебном процессе кафедры теплотехники и тепловых двигателей РУДН.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены в 2011 - 2012 г.г. на международной научно-технической конференции ГТУ МАДИ и на открытом заседании кафедры теплотехники и тепловых двигателей РУДН.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в различных научных изданиях, в том числе и рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 136 стр. машинного текста, включая иллюстрации и 11 таблиц. Список литературы включает 59 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования;

приведена общая характеристика диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются вопросы экологического воздействия автотранспортного комплекса на состояние окружающей среды и нормирование вредных выбросов. Дается анализ изменений международных нормативных документов, в частности Правил ЕЭК ООН № 83, отражающих проблему эксплуатации автомобилей в странах с холодным климатом, при значительном периоде воздействия отрицательных температур, а также анализ путей и способов снижения вредных выбросов автомобильными бензиновыми двигателями в условиях низких температурах окружающей среды.

Целевыми задачами работ по этому направлению является поиск наиболее экономически целесообразного и эффективного решения проблемы удовлетворения перспективных нормативных требований 5 и 6 экологического класса (аналога Евро-5 и Евро-6 Правил ЕЭК ООН № 83), которые на государственном уровне отражают национальную программу по повышению экологической безопасности отечественного автотранспортного комплекса.

На основании проведенного анализа было показано, что основным резервом является ускорение прогрева двигателя после холодного пуска до темпера- туры, гарантирующей выход его на режим работы при стехиометрической состав смеси, и нейтрализатора до температуры режима light off - начала его эффективной работы, чтобы обеспечить максимальную конверсию (обезвреживание) вредных веществ в выбрасываемых в атмосферу ОГ. Одним из наиболее эффективных способов достижения этой цели является использование химически активных реагентов в качестве добавок к поступающей в двигатель свежей смеси и в ОГ для быстрого экзотермического разогрева каталитического блока нейтрализатора. В РУДН, ФГУП НАМИ и МГТУ МАМИ в последние годы проводится большой комплекс теоретических и экспериментальных работ по термохимической конверсии углеводородных соединений на борту транспортных средств.

В контексте этих работ обосновывается приоритетность стратегии получения химически активных продуктов конверсии бензина (ПКБ) в термохимических конверторах, размещенных в выпускной системе двигателя и использующих тепловую энергию ОГ. Сделанные на основе опубликованных работ анализ показывает актуальность выбранной темы диссертационной работы и на основании его сформулированы цель и задачи данного исследования.

Во второй главе приведены алгоритмы и методики расчетнотеоретических исследований динамики изменения температурноэнергетического состояния рабочего тела в двигателе, в выпускном тракте и нейтрализаторе в течение прогрева ДВС в условиях низких температур вплоть до -7С.

Исследовано влияния ПКБ на показатели работы двигателя, термодинамические параметры ОГ и показатели конверсии вредных веществ в нейтрализаторе.

Проведение исследований по ускорению выхода системы нейтрализации ОГ на эффективный режим конверсии вредных веществ в период прогрева двигателя после холодного пуска изначально предполагает необходимость комплексного изучения процессов, протекающих в камере сгорания двигателя и в полостях впускного и выпускного трактов. Задача исследования заключается в сохранении энтальпии отработавших газов на пути от двигателя к термохимическому конвертеру и далее к нейтрализатору за счет уменьшения теплопередачи в окружающую среду. Естественно, что поиск решений столь сложной задачи требует большого объема расчетно-экспериментальных исследований. Алгоритм исследования был сформирован с учетом особенностей термодинамических явлений в системе впускной тракт - двигатель - выпускной тракт на режимах холодного пуска и его прогрева, и обеспечил возможность прогнозирования эффективности применение возможных мер. С этой целью разработан расчетно-аналитический комплекс, включающий в себя два взаимосвязанных модуля:

1.Модуль расчета рабочего цикла ДВС, позволяющий определять динамику изменения температуры рабочего тела на выходе из рабочего пространства двигателя с учетом отвода теплоты в непрогретые стенки камеры сгорания.

2.Модуль расчета, позволяющий определять характер изменения температурно-энергетического потенциала отработавших газов как греющего теплоно сителя в элементах выпускного тракта с учетом интенсивности отвода теплоты через стенки всех элементов в окружающую среду.

В примененной методике расчета рабочего цикла двигателя, сформированной на основе разработанной в РУДН математической модели, состояние рабочего тела рассматривается как открытая термодинамическая система, обменивающаяся массой и энергией с остальными системами двигателя. Математическая модель рабочего цикла представлена в виде подмоделей процессов газообмена (процессы выпуска, продувки и впуска), процессов сжатия, процессов сгорания - расширения. В этих условиях достоверность результатов расчета температурного состояния рабочего тела в значительной степени зависит от корректности описания двух конкурирующих процессов: процессов сгорания (тепловыделения) и теплообмена.

Учитывая особенности протекания рабочего цикла непрогретого двигателя, проведено дополнительное изучение условий обмена теплотой между рабочим телом и теплообменными стенками КС, температура которых определяется как функция времени. Теплота, воспринимаемая теплообменными поверхностями стенок камеры сгорания (КС) определяется численным интегрированием уравнения НьютонаЦРихмана:

Qw = (T -Tw)Fw w где Fw, Тw - площадь и температура тепловоспринимающей поверхности камеры сгорании; Т - текущая температура рабочего тела; w - коэффициент теплоотдачи.

Площадь теплообменной поверхности цилиндра принимается как функция времени или угла поворота вала () двигателя:

2Vh cos + sin 2 FЦ () =, D 2 2 + sin где Vh, D - рабочий объем и диаметр цилиндра; - кинематический параметр КШМ двигателя.

Характер изменения текущей температуры поверхности теплообмена Тw в период холодного пуска и прогрева двигателя в первом приближении задавался линейной зависимостью. Начальная температура стенок КС соответствовала температуре окружающей среды, а ее конечное значение - температуре стенок прогретого двигателя, которая оценивалась по известным экспериментальным данным.

Для определения текущего (по времени ) коэффициента теплоотдачи w использовалась зависимость проф. Р.З.Кавтарадзе:

b 1 2 x = + Hu w cp (T - Tw) где b - коэффициент проникновения теплоты для пограничного слоя; ср - изобарная теплоемкость рабочего тела; Hu - низшая теплота сгорания топлива; х - относительная доля тепловыделения для каждого расчетного шага, которая рассчитывалась с учетом принятого при моделировании закона тепловыделения.

Этот коэффициент рассматривается как функция тепловыделения в КС двигателя. Это позволяет исследовать взаимосвязь процессов выделения тепла и теплоотдачи в цилиндре.

Второй модуль расчета, позволяющий определять характер изменения температурно-энергетического потенциала ОГ как греющего теплоносителя в элементах выпускного тракта, формировался в следующей последовательности.

Значения давления pb и температуры Tb в момент открытия выпускного клапана берутся по данным моделирования рабочего цикла (предыдущий расчетный модуль). На участке выпускного патрубка между сечениями II - II и III - III (рис.1) количество теплоты, воспринимаемое поверхностью патрубка за цикл в пределах времени фазы выпуска, определялось интегрированием зависимости:

Qвып = вып(TОГ - Tw,вып)Fвып где Fвып, Тw,вып - площадь и температура тепловоспринимающей поверхности канала соответственно; вып - коэффициент теплоотдачи, который можно опре = Nuвып, где, согласно рекомендациям Х.Цапфа, делить как: вып Dг hвып Nuвып = 2,58Re0,51- 0,7, hвып и dвып - ход клапана и диаметр его седла; - dвып коэффициент теплопроводности ОГ.

Рис.1. Расчетная схема выпускного тракта ДВС.

В этой зависимости определяющим размером является гидравлический диаметр канала Dг, а в качестве определяющей скорости - средняя скорость потока в канале.

Последующий участок выпускной тракт (рис.1) между выпускным каналом (сечение III - III) и конвертером (сечение IV - IV) представляется в виде прямого участка цилиндрической трубы постоянного сечения длиной L. Моделирование нестационарной задачи теплопроводности проводилось с использованием закономерностей, предложенных Фурье. При этом процесс теплообмена определялся совокупным действием переноса теплоты от горячих отработавших газов к стенке выпускного трубопровода Q1 и от стенки к окружающей среде Q2.

/ // Q1 = 1Dx(TОГ - T ) Q2 = 2Dнx(T - TВ ) ;, ТР ТР где Т/ТР и Т//ТР - температура элементарной площади теплообмена на внутренней и внешней смежных поверхностях трубопровода соответственно; ТВ - температура воздуха; x - элементарная длина трубопровода.

Достоверность результатов моделирования во многом определяется корректностью задания величин коэффициентов теплоотдачи 1 и 2. Оценка этих коэффициентов проводилась следующим образом.

Процесс прогрева стенок выпускного трубопровода делился на две фазы - это начальная - холодная фаза (здесь интенсивность теплопередачи определяется с учетом наличия водяной пленки) и основная (лгорячая фаза). Для каждой из этих фаз были применены следующие соотношения. В начальной холодной фазе для определения 1 использовалась критериальная зависимость:

1D 0, 0,Nu = = 0,023PrОГ4 ReОГ - холодная фаза.

ОГ D Nu = 0.571Re - горячая фаза.

x Переход от холодной фазы к лосновной фазе осуществляется в зависимости от температурного состояния стенок выпускного трубопровода. Если температура стенок меньше температуры точки росы, то это холодная фаза, а если больше - горячая фаза.

Коэффициент теплоотдачи 2 от наружной поверхности стенки трубопровода к холодному теплоносителю (воздуху) определялся по критериальной зависимости:

0,387Ra1/ 6 0,6 .

Nи = + 8/ 9/ 0.599 1+ Pr Идентификация и проверка достоверности расчетной методики проводились с использование данных эксперимента (по показаниям малоинерционных термопар, установленным в проточном тракте ДВС). Рабочая программа расчета была написана с учетом возможности ее реализации на ПЭВМ. Структура программы включала в себя самостоятельные части (подпрограммы) - программные модули, что позволило облегчить процедуру отладки программы в целом и корректировку данных на промежуточных этапах расчета.

Сравнение результатов расчета с данными эксперимента изменения температуры ОГ по длине выпускного тракта двигателя при его работе на режиме холостого хода для различных частот вращения вала (рис. 2) показал, что характер изменения расчетной температуры ОГ по длине выпускного тракта двигателя идентичен. Максимальное расхождение данных расчета и эксперимента не превышает 7%.

а) б) Рис.2 Изменение температуры ОГ по длине выпускного трубопровода:

а) - после 5 с от момента пуска ДВС; б) - после 20 с от момента пуска ДВС, сплошные линии - расчетные, пунктирные - по экспериментальным точкам.

Таким образом, предлагаемая математическая модель подтвердила свою достоверность, а методика расчета позволяет с достаточной степенью точности определять температуру теплоносителя по длине выпускного тракта в период работы ДВС в период его прогрева.

Результаты исследования, проведенного с использованием разработанной методики, позволили выявить условия наиболее рационального размещения конвертера в выпускном тракте ДВС, а также обосновать необходимость использования специальных средств для ускоренного разогрева каталитического блока нейтрализатора.

В качестве подобных средств предложено использовать реакционноактивные продукты конверсии бензина, а для их бортового генерирования - конвертер, размещаемый в выпускном тракте в непосредственной близости от ДВС. Вследствие того, что конвертер должен работать относительно короткое время в период холодного пуска и прогрева двигателя, опасность его перегрева маловероятна. Кроме того, в программе блока управления распределением потоков ОГ необходимо предусмотреть возможность прекращения подачи бензогаза в конвертер при критическом уровне температуры.

Первая стадия разогревания каталитических блоков конвертера и нейтрализатора реализуется благодаря накоплению на активной поверхности подложки блоков паров бензина в процессе пусковой прокрутки двигателя и первой фазы пуска двигателя, которые начинают активно реагировать на поверхности уже частично прогретого (100Е1500С) катализатора. Правомерность высказанного предположения была подтверждена данными натурного эксперимента.

Возможность практической реализации предложенной стратегии ускоренного прогрева ДВС и нейтрализатора была подробно исследована в ходе проведения экспериментальных исследований В третьей главе анализируются проведенные автором или при его непосредственном участии экспериментальные исследования влияния низких тем ператур на рабочий процесс и вредные выбросы с ОГ. Приведены результаты испытаний разработанных автором или при его непосредственном участии антитоксичных систем и отдельных устройств. Испытания проводились на двигателях и автомобилях производства ОАО АвтоВАЗ по стандартным методикам ГОСТ и Правил ЕЭК ООН № 83 с использованием современного оборудования и средств измерений, обеспечивающих точность получаемых результатов в пределах 3 - 5%.

На рис. 3 приведены результаты испытаний легкового автомобиля с двигателем рабочим объемом Vh = 2 л при разных его температурах с целью определения влияния низких температур на выброс вредных веществ.

Рис. 3 Выбросы СО и СН при испытании автомобиля по четырем городским циклам Правил ЕЭК ООН № 83 при разных температурах его термостатирования: сплошная линия - 1-ый городской цикл; пунктирная - 2-ой цикл; штрих пунктирная - 3 и 4 циклы.

Испытания показали, что наибольший выброс вредных веществ происходит на первой фазе городского цикла, когда двигатель еще не прогрет, а нейтрализатор не эффективен. Снижение температуры двигателя в момент пуска с + 20С до - 10С увеличивает выброс СО в 10 раз, а СН в 4 раза. Таким образом, работа непрогретого двигателя на повышенных частотах холостого хода при обогащенном составе смеси в период после его пуска приводит к не рациональному расходу топлива, вследствие неэффективной работы непрогретого нейтрализатора наблюдается повышенный выброс вредных веществ.

На предварительном этапе были исследованы различные технические решения, улучшающие работу двигателя в условиях низких температур, которые показали, что наибольший эффект достигается при максимальном приближении нейтрализатора к двигателю. На рис. 4 приведены результаты испытаний автомобиля ВАЗ-2112 с различным удалением нейтрализатора от двигателя. Анализируя приведенные на рис. 4 данные можно отметить следующее: у автомобиля с классической схемой расположения нейтрализатора под полом автомобиля удалением его от двигателя 1230 мм (вариант I), только за первые две фазы городского ездового цикла выбрасывается 80 - 90% оксида углерода и углеводородов от полной массы их выбросов за весь ездовой цикл испытаний автомобиля.

У автомобиля (вариант II), имеющего более экологически совершенные двигатель и нейтрализатор, реакционная полость которого приближена к двигателю на 850 мм, доля вредных выбросов в первой фазе уменьшилась в 2 - 2,раза. У автомобиля (вариант III) с катколлектором, расположенным непосредственно в выпускном коллекторе, отмечен наименьший выброс вредных веществ. Но каталитический блок находится в зоне максимальных температур отработавших газов, которые на режимах работы двигателя на полной мощности достигают более 1000 С. Это способствует быстрому термическому старению каталитической подложки блока и, как следствие, снижению ресурса и потере степени конверсии вредных выбросов.

Анализ и предварительные испытания рассмотренных известных технических решений показали, что их практическая реализация в условиях эксплуатации российского автотранспортного комплекса связана с решением целого ряда серьезных проблем, а их эффективность недостаточна для удовлетворения перспективных нормативных требований. Это обстоятельство и послужило стимулом для разработки нового, более эффективного комплекса мер, основанного на применении высокоэффективных средств химической активации.

Рис.4. Баланс выброса вредных веществ (в граммах) автомобилем ВАЗ-2112 на различных фазах ездового цикла Правил ЕЭК ООН № 83 при разных удалениях нейтрализатора от выпускного фланца двигателя.

В четвертой главе приведены материалы по разработке новой концепции и комплексной системы быстрого разогрева и выхода на режим эффективный работы двигателя и нейтрализатора после холодного пуска в условиях низких температур. Концепция реализуется на основе стратегии применения про дукта с высокой реакционной активностью, которая проявляется в условиях относительно низких температур, без применения специальных энергоемких средств подогрева. В качестве реакционно-активных веществ используются продукты конверсии базового топлива - бензина, в компонентный состав которых входит водород, который известен как химический реагент с необычайно высокой реакционной способностью.

На рис. 5 представлена схема, поясняющая предложенную концепцию ускоренного разогрева и вывода двигателя и системы нейтрализации на эффективный режим работы после холодного пуска.

Рис. 5. Схема концепции ускоренного разогрева и вывода двигателя и системы нейтрализации на эффективный режим работы после холодного пуска.

Предлагаемая концепция реализуется на основе разработанной комплексной системы и характеризуется тем, что в период прогрева двигателя после холодного пуска в поступающую в цилиндры топливно-воздушную смесь добавляются химически активные продукты конверсии бензина, которые генерируются в бортовом термохимическом конвертере. Добавка этих продуктов к бензино-воздушной смеси существенно повышает ее реакционную способность, расширяет концентрационные пределы воспламенения, обуславливает возможность быстрого перехода на режим горения смеси стехиометрического состава, таким образом, обеспечивая работу нейтрализатора в бифункциональном режиме. Отличительной особенностью данного способа повышения эффективности системы нейтрализации ОГ является то, что первичный разогрев каталитического блока осуществляется при отсутствии электрического нагревателя, благодаря высокой активности ПКБ. Они проявляют свои реакционные свойства при экзотермическом окислении на сотовой структуре каталитического блока нейтрализатора с выделением большого количества теплоты, что способствует его быстрому прогреву.

Первая стадия разогревания каталитических блоков конвертера и нейтрализатора реализуется благодаря накоплению на активной поверхности подложки блоков паров бензина в процессе пусковой прокрутки двигателя и первой фазы пуска двигателя; они начинают активно реагировать на поверхности уже частично прогретого (100Е1500С) катализатора.

Правомерность высказанного предположения была подтверждена приведенными в пятой главе данными натурного эксперимента и испытаниями опытного образца автомобиля в соответствии с процедурой Правил ЕЭК ООН № 83. Разработанная комплексная система при испытаниях в составе автомобиля ВАЗ-2112 на беговых барабанах в соответствии с методикой Правил ЕЭК ООН № 83 обеспечила выполнение нормативных требований ЕВРО-4 с запасом (табл. 1).

Таблица №№ Тип испытания СО СН NOx СН+NOx С комплексом КАТС-1 4 ГЕЦ, г/исп 2,73 0,66 0,13 0,MVEG, г/км 0,533 0,09 0,07 - Нормативные требования, MVEG, г/км 7 ЕВРО-4 1,0 0,1 0,08 - ГЕЦ - городской ездовой цикл, MVEG - полный ездовой цикл (городская + высокоскоростная части) Таким образом, испытания показали, что разработанная стратегия быстрого выхода системы нейтрализации автомобиля обеспечивает выполнение действующих на настоящее время нормативных требований ЕВРО-4 и при установке на автомобили нового поколения двигателей может обеспечить выполнение перспективных нормативных требований ЕВРО-5 и выше. Полученные результаты свидетельствуют о том, что поставленные в диссертационном исследовании целевые задачи, успешно решены.

Основные результаты и выводы по работе Выполненные в диссертационной работе исследования, анализ и обобщение их результатов позволили разработать и предложить комплексный метод совершенствования стартовых характеристик систем нейтрализации ОГ и улучшения экологических показателей автомобильного двигателя с искровым зажиганием в период его пуска и прогрева. Основным итогом выполненной работы является решение ряда актуальных задач, связанных с важной и перспективной проблемой отечественного двигателестроения - разработка научных и технических основ по созданию транспортных бензиновых двигателей нового поколения с высокими экологическими качествами, удовлетворяющими перспективным нормативным требованиям (ЕВРО-4 и ЕВРО-5).

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований следует сделать следующие основные выводы:

1. Методически обоснована концепция и на её основе предложен комплексный метод улучшения стартовых экологических показателей бензинового двигателя в условиях отрицательных температур окружающей среды за счет интенсификации прогрева двигателя и нейтрализатора до уровня их максимальной эффективности на основе применения средств химической активации.

2. Разработана расчетно-аналитическая методика исследования характера изменения температурного состояния рабочего тела на отдельных участках выпускно го тракта и в каталитическом блоке нейтрализатора в период пуска и последующей работы охлажденного до отрицательных температур двигателя. Методика позволяет осуществить рациональный выбор места расположения конвертера и нейтрализатора в выпускном тракте, а также прогнозировать динамику их прогрева и эффективность работы при использовании химически активных продуктов конверсии бензина.

3. Экспериментальные данные, полученные при стендовых испытаниях двигателя и в составе автомобиля по методике Правил ЕЭК ООН № 83, подтвердили достоверность предпосылок и гипотез, принятых при разработке расчетной методики; расхождение результатов расчета с экспериментом не превышало 7%.

4. Разработан и изготовлен опытный образец комплексной системы, включающий следующие оригинальные элементы:

- термохимический конвертер бензина для получения химически активных водородосодержащих продуктов;

- термокаталитический конвертер - дожигатель для доокисления этих продуктов с целью получения необходимого количества тепловой энергии для ускорения нагрева свежей смеси и химического инициирования ее воспламенения и сгорания в период холодного пуска и прогрева двигателя.

5. Результатами испытаний опытного образца комплексной системы в составе автомобиля ВАЗ-2112 установлено, что система обеспечивает гарантированное выполнение нормативных требований ЕВРО-4, что дает основание рекомендовать концепцию предлагаемого метода в качестве альтернативного варианта для предстоящей разработки перспективных отечественных двигателей для автомобилей 5 и 6 экологических классов.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в изданиях рекомендованных ВАК:

1. Гусаков С.В., Шарипов А.З., Меньших А.А. Улучшение экологических показателей автомобильного двигателя с искровым зажиганием в период прогрева после холодного пуска.// РУДН, - 2011, № 3. с. 60-2. Шарипов А.З., Гусаков С.В., Каменев В.Ф. Снижение вредных выбросов городского автомобиля с бензиновым двигателем. Журнал Транспорт на альтернативном топливе № 2 (26) 2012 с. 36-39.

3. Гусаков С.В., Каменев В.Ф., Шарипов А.З. Повышение стартовой экологической эффективности двигателя внутреннего сгорания и системы нейтрализации с помощью химического реагента. ВИНИТИ РАН Депонированные научные работы № 5, 2012, б/о.

4. Гусаков С.В., Шарипов А.З., Михрячев Д.В. Практические рекомендации по оптимизации обработки экспериментальных данных. ВИНИТИ РАН Депонированные научные работы № 5, 2012, б/о.

   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям