«СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБОРАЗОВАНИЯ

«РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.А. КОСТЫЧЕВА»

На правах рукописи

Тришкин Иван Борисович

СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ

ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ПРИ РАБОТЕ В ПОМЕЩЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.20.01- «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Некрашевич Владимир Федорович, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Рязань

ОГЛАВЛЕНИЕ

РЕФЕРАТ………………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………

ГЛАВА 1. Анализ способов и технических средств обеспечения экологической безопасности при работе мобильных энергетических средств с двигателем внутреннего сгорания в помещениях сельскохозяйственного назначения ……………………………… 1.1. Сельскохозяйственные производственные здания и сооружения, основные виды механизированных работ и применяемое технологическое оборудование ……………… 1.2. Анализ способов и средств обеспечения воздухообмена в помещениях при работе в них мобильных энергетических средств с двигателем внутреннего сгорания…………… 1.3. Экологические и экономические аспекты загрязнения воздушной среды сельскохозяйственных производственных помещений отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания мобильных энергетических средств и влияние их на условия труда обслуживающего персонала и качество сельскохозяйственной продукции …………………………………………………………………………………….. 1.4. Состав отработавших газов двигателей внутреннего cгорания………………….…… 1.5. Токсичность отработавших газов дизельного двигателя. Их воздействие на организм человека. Предельно допустимые концентрации токсичных веществ в атмосфере сельскохозяйственных производственных помещений…………………..…… 1.6. Анализ способов и средств снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя мобильного энергетического средства …………………………………………………....... 1.6.1. Удаление токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя…… 1.6.2. Нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя ………………………………………………………………………………………. 1.6.3. Совершенствование рабочего процесса и конструкции дизельного двигателя как способ снижения токсичности выхлопа …………………………………………………..... 1.6.4. Применение альтернативных видов топлива ………………………………………… 1.6.5.Впрыск воды и применение топливо-водяных эмульсий…………………………..... 1.6.6. Озонирование воздушного заряда на впуске…………..………..…………………… 1.7. Постановка проблемы, цель работы и задачи научного исследования ………………. ГЛАВА 2. Исследование процесса обогащения воздушного заряда сжиженным газом с целью снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания …. 2.1. Определение состояния микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций.……………………………………………. 2.2. Результаты измерений параметров микроклимата в помещениях теплиц при проведении энергоемких сельскохозяйственных операций …………………

2.3. Теоретический анализ динамики состояния вентилируемой воздушной среды теплиц при выполнении в них механизированных работ машинно-тракторным агрегатом……………………………………………..………………………………………… 2.4. Обогащение воздушного заряда присадкой сжиженного газа как средство снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя ……

2.5. Устройство по обогащению воздушного заряда присадкой сжиженного газа ………. 2.6. Лабораторные исследования способа подачи двух видов топлива как средства снижения токсичности отработавших газов………………………………………………… 2.6.1. Программа и методика лабораторных исследований дизельного двигателя Д-21А и модернизированного трактора Т-25А ……………………………………………………. 2.6.1.1 Установка для лабораторных исследований двигателя Д-21А …………………… 2.6.1.2. Методика исследования токсичности выхлопа тракторного дизеля Д-21А с присадкой сжиженного газа ……………………………………………………………….... 2.6.2 Методика проведения многофакторного эксперимента ……………………………. 2.6.2.1 Статистическая проверка результатов эксперимента, проверка однородности дисперсий …………………………………………………………………………………….. 2.6.2.2 Раскодирование уравнения регрессии ……………………………………………… 2.6.3 Результаты испытаний на лабораторной установке двигателя Д-21А ……………. 2.7. Производственная проверка эффективности работы газоподающей аппаратуры и 2.7.2. Результаты производственной проверки эффективности работы трактора с газоподающей аппаратурой при выполнении энергоемких операций по основной ГЛАВА 3. Влияние рабочего процесса пароозонирующего устройства на снижение токсичности и дымности отработавших газов дизельного двигателя внутреннего 3.1. Теоретические исследования рабочего процесса пароозонирующего устройства.... 3.1.1. Конструктивно-технологическая схема системы подачи облученной 3.1.2. Обоснование основных геометрических параметров устройства для обработки 3.2 Лабораторные и производственные исследования способа подачи облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор для снижения токсичности отработавших 3.2.1. Экспериментальная установка для лабораторных исследований двигателя Д-243... 3.2.3. Методика экспериментальных исследований, определение токсичности отработавших газов дизельного двигателя Д-243 при подаче облученной паровоздушной смеси во впускной коллектор…………………………………………….. 3.2.4. Методика проведения многофакторного эксперимента………………………….. 3.3. Результаты лабораторных исследований……………………………………………… 3.3.1. Результаты исследований влияния количества подаваемого водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения на эффективные показатели работы 3.3.2. Результаты исследования влияния количества подаваемого водяного пара и мощности потока ультрафиолетового излучения на концентрацию токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя…………………………………. 3.3.3. Результаты стендовых испытания дизельного двигателя Д-243 с системой высокоточной подачи облученной паро-воздушной смеси во впускной коллектор…… 3.3.4. Результаты исследования и оценка влияния на токсичность отработавших газов дизельного двигателя способов подачи облученной паровоздушной смеси во впускной ГЛАВА 4. Исследование устройства по очистке отработавших газов от сажи с помощью электрического фильтра на выпуске дизельного двигателя…………………… 4.1. Теоретические исследования устройства по очистке отработавших газов от сажи 4.1.1. Конструктивно – технологическая схема электрического фильтра для улавливания частиц сажи в системе выпуска дизеля …………………………………….. 4.1.2. Теоретический анализ действия сил в электрофильтре на взвешенную в потоке отработавших газов частицу сажи…………………………………. 4.1.3. Обоснование основных параметров электрофильтра………………………………. 4.1.3.1. Выбор геометрических параметров электрического фильтра…………………… 4.1.3.2. Выбор основных электрических параметров работы электрофильтра…………. 4.1.3.3. Обоснование степени очистки от сажи ОГ дизельного двигателя………………… 4.1.3.4. Определение жесткости пружины маслоуловителя электрофильтра………......... 4.1.3.5. Определение газодинамического сопротивления ОГ двигателя трактора в электрическом фильтре…………………………………………………………

4.2. Лабораторные исследования способа снижения дымности отработавших газов …… 4.2.2.Методика лабораторных исследований………………………………………………. 4.2.3.Результаты лабораторных исследований……………….……………………………. 4.2.3.1.Результаты исследований влияния установки в системе выпуска трактора электрофильтра на эффективные показатели работы двигателя и параметры 4.2.3.2. Результаты исследований степени влияния величины высоковольтного напряжения питания электрического фильтра и времени нахождения сажевых частиц в его активной зоне на дымность отработавших газов трактора на основе планирования 4.3. Производственная проверка работоспособности и эффективности работы электрофильтра по очистке дизельного выхлопа………………………………………….. 4.3.2. Результаты производственной проверки эффективности работы системы ГЛАВА 5. Исследование жидкостного нейтрализатора отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания.……………………..…………………………………….. 5.1 Теория процесса влажной очистки отработавших газов дизельного двигателя Д-120 в жидкостном нейтрализаторе…………………………….. 5.1.1 Конструктивно-технологическая схема устройства для влажной очистки отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания ……………………… 5.1.2. Определение газодинамического сопротивления жидкостного нейтрализатора … 5.1.3. Определение расхода нейтрализующего раствора, потребного для очистки 5.1.4. Определение параметров сепарации токсичных компонентов и сажевых частиц в 5.1.5. Обоснование основных параметров центробежного завихрителя лопаточного типа 5.1.6. Выбор абсорбирующих компонентов входящих в состав нейтрализующего раствора 5.2. Лабораторные исследования жидкостного нейтрализатора снижения токсичности 5.2.1 Программа лабораторных исследований …………………………………………... 5.2.2. Методика проведения лабораторных исследований ……………………………… 5.3 Результаты лабораторных исследований …………………………………………….. 5.3.1 Результаты исследований влияния установки в системе выпуска жидкостного нейтрализатора на эффективные показатели работы двигателя ………………………. 5.3.2 Результаты исследований влияния количества нейтрализующего раствора и продолжительности времени впрыска на токсичность и дымность ОГ трактора ….. 5.4. Производственная проверка жидкостного нейтрализатора очистки отработавших газов дизельного двигателя и оценка экономической эффективности его внедрения …. 5.4.1.Производственная проверка работоспособности и эффективности работы устройства для очистки ОГ дизельных двигателей внутреннего сгорания ……………… 5.4.1.1. Программа и методика производственной проверки……………………………… 5.4.1.2 Результаты производственной проверки эффективности работы системы влажной очистки отработавших газов……………………………………………………….. 5.4.2 Результаты производственной проверки эффективности работы системы влажной ГЛАВА 6. Система удаления отработавших газов двигателей внутреннего сгорания из помещений сельскохозяйственного назначения…………………………………………… 6.1. Теоретические исследования процесса отвода отработавших газов двигателей внутреннего сгорания за пределы помещений ……………………………………………. 6.1.1. Конструктивно-технологическая схема системы для отвода отработавших газов.. 6.1.2. Обоснование основных параметров системы удаления отработавших газов…….. 6.1.3 Определение температуры смеси отработавших газов с воздухом…………..…….. 6.1.4. Определение производительности и необходимого напора вентилятора …………. 6.2. Исследование процесса отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания за пределы помещения с использованием эжектора ……………………………. 6.2.1. Программа и методика исследований ……………………………………………... 6.2.2.1. Результаты исследований влияния количества подсасываемого воздуха и скорости отработавших газов на температуру газовоздушной смеси …………………… 6.2.2.2. Результаты исследований влияния геометрических параметров эжектора на количество подсасываемого воздуха и температуру газовоздушной смеси …………….. 6.3. Производственная проверка системы для отвода отработавших газов …………….. 6.3.1. Программа и методика проверки …………………………………………………… 6.3.2. Результаты производственной проверки ……………………………………………. ГЛАВА 7. Технико-экономическое обоснование и реализация результатов проведенных 7.1. Технико-экономическое обоснование систем и средств улучшения состояния воздушной среды помещений сельскохозяйственного назначения….……………………. Диссертация состоит из введения, семи разделов, общих выводов, списка используемой литературы и приложений.

Введение. Обоснована актуальность темы и ее народнохозяйственное значение. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ способов и технических средств обеспечения экологической безопасности при работе мобильных энергетических средств с двигателем внутреннего сгорания в помещениях сельскохозяйственного назначения» даны экологические и экономические аспекты загрязнения воздушной среды сельскохозяйственных производственных помещений отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания мобильных энергетических средств, влияние их на условия труда обслуживающего персонала и качество сельскохозяйственной продукции, анализ способов и средств снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя мобильного энергетического средства. Сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи исследований.

Во второй главе «Исследование процесса обогащения воздушного заряда сжиженным газом с целью снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания» дан теоретический анализ динамики состояния вентилируемой воздушной среды теплиц при выполнении в них механизированных работ машинно-тракторным агрегатом, рассмотрено влияние присадки газа к основному топливу на процесс смесеобразования, сгорания и образования токсичных веществ, предложено устройство по обогащению воздушного заряда присадкой сжиженного газа. Рассмотрена методика исследования токсичности выхлопа тракторного дизеля Д-21А с присадкой сжиженного газа.

Представлены результаты испытаний на лабораторной установке двигателя Д-21А и производственной проверки эффективности работы трактора с газоподающей аппаратурой при выполнении энергоемких операций по основной обработке тепличного грунта.

В третьей главе «Влияние рабочего процесса пароозонирующего устройства на снижение токсичности и дымности отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания» приведены теоретические исследования рабочего процесса пароозонирующего устройства, представлена конструктивнотехнологическая схема системы подачи и дано обоснование основных геометрических параметров. Разработана методика лабораторных исследований, представлена программа и результаты лабораторных и производственных испытаний.

В четвертой главе «Исследование устройства по очистке отработавших газов от сажи с помощью электрического фильтра на выпуске дизельного двигателя» представлены теоретические исследования устройства по очистке отработавших газов от сажи дизельного двигателя и разработана конструктивно – технологическая схема электрического фильтра для улавливания частиц сажи в системе выпуска дизеля. Произведены лабораторные и производственные исследования способа снижения дымности отработавших газов и представлены их результаты.

В пятой главе «Исследование жидкостного нейтрализатора отработавших газов дизельного двигателя внутреннего сгорания» представлена конструктивно-технологическая схема устройства для влажной очистки отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания, теоретически обоснованы ее параметры, произведен выбор абсорбирующих компонентов, входящих в состав нейтрализующего раствора. Проведены лабораторные исследования и производственная проверка.

В шестой главе «Система удаления отработавших газов двигателей внутреннего сгорания из помещений сельскохозяйственного назначения» разработана конструктивно-технологическая схема системы для отвода отработавших газов, дана схема и обоснованы ее основные параметры. Произведены лабораторные исследования и производственная проверка.

В седьмой главе «Технико-экономическое обоснование и реализация результатов проведенных исследований» произведено технико-экономическое обоснование систем и средств улучшения состояния воздушной среды сельскохозяйственных помещений.

Представлены общие выводы и список работ, где опубликовано основное содержание диссертационной работы.

В приложениях представлен статистический материал исследований, акты испытаний разработанных систем и внедрений результатов диссертационной работы.

Актуальность темы исследований. Основами продовольственной безопасности РФ являются увеличение объемов производства основных видов животноводческой и растениеводческой продукции. Рост поголовья и сельскохозяйственных культур должны происходить при одновременном поддержании высокого качества конечного продукта. Достижение поставленных задач невозможно без улучшения условий содержания сельскохозяйственных животных и произрастания растений. Это подразумевает создание оптимальных параметров микроклимата животноводческих помещений и помещений защищенного грунта, а также создание условий для безопасного и высокопроизводительного сельскохозяйственных предприятий [38, 39, 40, 107, 131, 141].

Одной из причин, вызывающих нарушение воздушно-газового режима атмосферы помещения и, как следствие, влекущих за собой ухудшение условий труда, качества продукции, сокращение срока службы зданий и сооружений, является эксплуатация мобильной техники, на которой используются дизельные двигатели, обладающие меньшей токсичностью и большей экономичностью по сравнению с бензиновыми аналогами. Вместе с тем постоянное использование их способствует накоплению в воздушной среде помещений токсичных компонентов (ТК) отработавших газов (ОГ) [38, 39, 131, 141].

В сельскохозяйственном производстве концентрация токсичных веществ (ТВ), образующихся при эксплуатации тракторов, сельскохозяйственных машин и других машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) пока невелика [50], это связано, прежде всего, с тем, что техника рассредоточена на значительных площадях и в большинстве случаев на открытом пространстве.

сельскохозяйственной техники внутри закрытых производственных зданий и сооружений. ОГ из силового агрегата рассеиваются и переносятся в воздухе постоянно существующими турбулентными вихрями различных масштабов.

Нарушение воздушно-газового режима атмосферы закрытых помещений, вследствие выброса токсичных веществ (ТВ) в составе ОГ от дизельных ДВС и создание тем самым экологически экстремальных условий для работы персонала, развития сельскохозяйственных животных и растений препятствует полноценному использованию, а в некоторых случаях делает невозможным применение мобильных энергетических средств (МЭС).

Многочисленными исследованиями [17, 42, 44] установлено, что даже после непродолжительной работы мобильных энергетических средств (МЭС) внутри помещений сельскохозяйственного назначения содержание ТК ОГ в воздухе рабочей зоны превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) в несколько раз. Это, в свою очередь, негативно сказывается на здоровье людей и сельскохозяйственных животных, росте возделываемых культур и, следовательно, на качестве и объемах производимой продукции.

Существующие способы снижения токсичности автотракторных двигателей в основном заключаются в конструктивных изменениях двигателей с целью воздействия на характер протекания рабочего процесса, применении альтернативных видов топлива и различных присадок к нему, рециркуляции ОГ, а также в оснащении двигателей нейтрализаторами ОГ [44, 48, 72, 149, 174, 241].

Меры, связанные с внесением существенных изменений в конструкции двигателей, а также с применением альтернативных видов топлива, требуют перестройки промышленности, сырьевой базы и вложения крупных материальных затрат. Учитывая, что современный уровень развития двигателестроения и существующие конструкции двигателей внутреннего сгорания не обеспечивают выполнение жестких экологических нормативов, таких как Euro, Stage и Tier, без применения специальных устройств для снижения токсичности и дымности ОГ, дальнейшие работы по этому направлению будут малоэффективными. Кроме того, снижению токсичности, как правило, противопоставляется ухудшение мощностных и экономических показателей двигателей внутреннего сгорания [61].

Поэтому создание экологически безопасных условий жизнедеятельности в помещениях сельскохозяйственного назначения с работающими МЭС с ДВС является актуальной проблемой, решение которой вносит значительный вклад в развитие агропромышленного комплекса страны.

Для решения указанной проблемы предлагается комбинированный метод, включающий модернизацию системы питания и отвода ОГ дизельного ДВС и создание устройств отвода ОГ из помещения.

Исследования проводились в соответствии с планом НИР ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А.

Костычева» в 1987-2013 годах и долгосрочной целевой программы «Улучшение экологической обстановки в Рязанской области» в 2010- годах от 13.10.2009 г. №273.

Степень разработанности темы. Для снижения токсичности ОГ дизельных ДВС используются следующие методы: изменение конструкции ДВС, применение альтернативных видов топлива, улучшение качества топлива, оптимизация режимов работы ДВС, поддержание технически исправного состояния МЭС, очистка ОГ. Однако использование разработанных средств снижения токсичности ОГ на основе существующих способов недостаточно эффективно в виду низкой степени очистки, высокой стоимости и небольшого срока службы устройств и помещений сельскохозяйственного назначения.

Анализ работ В.А. Звонова, Б.И. Смайлиса, И.Л. Варшавского, В. А. Лиханова, С.В. Истомина, В.А. Стрельникова, Т.Ю. Саловой, С.Н. Девянина, И.Е. Либерова, Е.В. Лунина и других авторов показал, что предлагаемые способы направлены на снижение токсичности различными путями, но это не решает проблемы вредного влияния ОГ на растения, организм человека и животных, так как постоянно происходит накопление вредных веществ (ВВ) в помещении, где ведутся работы с использованием МЭС с дизельными ДВС.

Вопросы о закономерностях состояния воздушной среды и обеспечении экологической безопасности помещений сельскохозяйственного назначения с используемыми в них МЭС изучены недостаточно.

Цель и задачи. Цель – улучшение условий жизнедеятельности (человека, животных, растений) в помещениях сельскохозяйственного назначения с функционирующими в них мобильными энергетическими средствами с В дальнейшем в тексте – система питания.

дизельными двигателями внутреннего сгорания путем снижения токсичности отработавших газов за счет совершенствования системы питания, а также посредством отвода отработавших газов из помещений.

Для достижения указанной цели поставлены задачи исследования:

1. Разработать и обосновать конструктивно-технологические схемы устройств предварительного пароозонирования и обогащения присадкой сжиженного газа воздушного заряда, жидкостного нейтрализатора, электрического сажевого фильтра, отвода отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств, работающих в помещениях сельскохозяйственного назначения.

2. Разработать аналитическую модель воспламенения и горения дизельного топлива совместно с присадкой сжиженного газа и обосновать оптимальные параметры устройства обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа при совершенствовании системы питания дизельного двигателя.

3. Разработать математическую модель процесса и обосновать оптимальные параметры устройства для предварительного пароозонирования воздушного заряда системы питания дизельного двигателя.

4. Разработать математические модели процесса нейтрализации отработавших газов и обосновать оптимальные параметры электрического сажевого фильтра (ЭФ) и жидкостного нейтрализатора (ЖН).

5. Разработать математическую модель процесса и обосновать оптимальные параметры устройств отвода отработавших газов дизельных двигателей мобильных энергетических средств из помещений сельскохозяйственного назначения.

6. Провести проверку предложенных способов и разработанных устройств в лабораторных и производственных условиях и дать оценку техникоэкономической эффективности их использования для обеспечения экологической безопасности при работе МЭС с ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения.

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы улучшения состояния воздушной среды в помещениях сельскохозяйственного назначения с работающими в них МЭС с ДВС путем разработки теоретических положений и обобщения закономерностей, в результате которых предложены:

- метод анализа состояния и динамического взаимодействия атмосферы в помещениях сельскохозяйственного назначения с выбросом токсичных веществ ОГ дизельного ДВС;

- математические модели сажевого фильтра и системы удаления ОГ из помещений;

-математические модели системы обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа, пароозонирования воздушного заряда;

- математическая модель системы влажной очистки ОГ.

Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена 15 патентами РФ на полезную модель.

Теоретическая и практическая значимость работы: методики расчета конструктивно-технологических параметров комплекса устройств системы питания дизельных ДВС для снижения токсичности и отвода ОГ из помещений; метод анализа состояния и динамического взаимодействия атмосферы в помещениях сельскохозяйственного назначения с выбросом токсичных веществ ОГ дизельного ДВС.

Полученные результаты имеют большую значимость для проектноконструкторских организаций (разработка конструкций машин и оборудования, отдельных элементов, методика обоснования конструкций и их классификация), государственных и частных предприятий, отраслевых министерств, организаций планирования (при разработке концепций, прогнозов, планов, методических рекомендаций, программ обоснования стратегий, различных нормативных документов по обеспечению продовольственной безопасности страны), в ВУЗах (при чтении лекций, проведении лабораторных работ и практических занятий, выполнении курсовых и дипломных работ).

Методология и методы исследования. В теоретических исследованиях использовались законы гидродинамики, теплотехники, аэродинамики, электротехники и теоретической механики.

При экспериментальных исследованиях использовались общеизвестные методики, а также разработанные на их основе частные методики. При этом использовались современные приборы и оборудование, а также стенды для испытаний: САК-670 (дизель Д-21А, Д-120), КИ-8927 (трактор Т-25А, Т-30), КИ-2118А (дизель Д-243).

Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики с использованием современных компьютерных программ.

Положения, выносимые на защиту:

- конструктивно-технологические схемы предлагаемых устройств;

- математические модели совершенствования процесса работы дизельных ДВС МЭС за счет обогащения воздушного заряда присадкой сжиженного газа и озонируемого пара на впуске и результаты их испытаний;

- математические модели нейтрализации ОГ ЭФ и ЖН и результаты их испытаний;

- математическая модель системы отвода ОГ из помещений и результаты ее испытаний;

- результаты производственной проверки предложенных устройств и результаты оценки технико-экономической эффективности предложенных усовершенствованных устройств по обеспечению экологической сельскохозяйственного назначения.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений подтверждается результатами экспериментальных исследований и их достаточной сходимостью с теоретическими данными, использованием действующих и новых разработанных методик, современной измерительной аппаратуры и разработанных новых экспериментальных стендов, обработкой экспериментальных данных с помощью компьютерных и математических программ.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО РГАТУ, Рязань, 1988гг.; на Всесоюзной научно-технической конференции «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания», Кировский сельскохозяйственный институт, 1988 г.; региональной научно-практической конференции «Вклад молодых ученых и специалистов в интенсификацию производства и перестройку работы АПК», Казань, 1990 г.; в СанктПетербургском государственном аграрном университете в 1988-1992гг.; на 10-й научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья, г. Чебоксары, 1998г.; Межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые технологии в учебном процессе и производстве», Рязанский институт МГОУ, 2004г.;

Всероссийской научно-практической конференции «Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспективы», Ульяновская ГСХА, 2005г.; Межвузовской конференции «Конструирование, использование и надежность машин с/х назначения», Брянская ГСХА, 2006г.; «Инновации в области земледельческой механики»; Международной научно-практической конференции, посвященной 140-летию со дня рождения В.П. Горячкина, г.

Москва, 2008г.; Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса» 20- октября 2009 г. ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2009г.; «Всероссийский конкурс на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ», 2009 г., номинация «Технические науки»; «Зворыкинский проект» программа Федерального агентства по делам молодежи, 2009 г.; Всероссийской научнопрактической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития АПК», г. Уфа, 2011 г. Опытные макетные образцы тракторов, оборудованных модернизированной системой питания, неоднократно демонстрировались на выставках НТТМ в г. Рязани.

Результаты исследований и хозяйственных испытаний используются в Рязанском тепличном комбинате «Солнечный», МУП «Рязанские городские распределительные сети», ГУП ПНО «Пойма» Луховицкий район Московской области, ОАО «Рыбновская сельхозтехника» Рыбновского района и «Автодорсервис» Клепиковского района, ООО «Агрофирма МТС «Нива Рязани» Пителинская», ООО «Агроводдорстрой» и ООО «Дорстройсервис», Сасовском дорожно-строительном предприятии «KAUF», ООО «Веста», ООО «Рязанский опытный ремонтный завод», СПК «Лакаш»

Спасского района Рязанской области.

Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе и научной работе в ФГОУ ДПО «Коломенский институт переподготовки и повышения квалификации руководящих кадров и специалистов», ФГБОУ ВПО СПбГАУ, ГНУ «Всероссийский научноисследовательский институт механизации животноводства» (ГНУ ВНИИМЖ Рязаньагропромспецпроект» принял результаты исследований для внедрения при проектировании строений в АПК закрытого типа (животноводческие помещения, теплицы, склады и др.).

Результаты исследований по данной диссертации были доложены на заседании НТС Министерства сельского хозяйства и продовольствия Рязанской области и Министерства природопользования и экологии Рязанской области, одобрены и рекомендованы к широкому внедрению на предприятиях АПК.

Основные положения диссертации опубликованы в 51 научном труде, в том числе двух монографиях, в 11 научных работах в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ, 15 патентах РФ на полезные модели.

Автор выражает благодарность и глубокую признательность научному консультанту, заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору кафедры «Механизация животноводства»

Некрашевичу В.Ф., почетному работнику науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой «Механизация животноводства» Ульянову В.М., а также аспирантам, ныне кандидатам технических наук, доцентам Ерохину А.В., Рябову А.В., Стражеву Н.П., Максименко О.О., Олейнику Д.О. за помощь, оказанную при выполнении данной диссертационной работы. [101, 162, 242,267,357].

ГЛАВА 1. Анализ способов и технических средств обеспечения экологической безопасности при работе мобильных энергетических средств с ДВС в помещениях сельскохозяйственного назначения 1.1. Помещения сельскохозяйственного назначения и сооружения, технологическое оборудование Сельское хозяйство - вид человеческой деятельности, основная задача которой удовлетворение потребностей общества в продуктах питания.

Средства, главное из которых земля, ресурсы и орудия производства - вот что определяет успех решения этой задачи.

ограниченного объема и воздухообмена предназначаются для различных отраслей сельскохозяйственного производства (рисунок 1.1.) 239, 274.

Постройки в сельской местности должны обеспечивать комфорт условий быта и труда человека. Они необходимы также для переработки продукции, непосредственно обеспечивающих технологические режимы содержания животных, птиц и растений. Это указывает на высокую их значимость, соизмеримую со значимостью основных средств сельскохозяйственного производства.

МЭС справляются с комплексным выполнением технологических минимальным вредным воздействием на окружающую среду и с наименьшими затратами ресурсов в целях получения низкой себестоимости и высокого качества продукции 274, 281, 319.

Рисунок 1.1 – Классификация сельскохозяйственных производственных зданий и сооружений ограниченного объема и воздухообмена МЭС в совокупности с навесным оборудованием могут выполнять различные трудоемкие операции. Вид навесного оборудования варьируется в зависимости от специфики выполняемых работ (рисунок 1.2) 29.

Рисунок 1.2 - Универсальное использование МЭС Так, например, в животноводстве при транспортировке и раздаче кормов широкое применение нашли мобильные кормораздатчики. На фермах крупного рогатого скота и в свиноводческих помещениях используют кормораздатчики, смонтированные на прицепной тракторной тележке или на шасси автомобилей (таблица 1.1).

кормораздатчиков Габаритные размеры (м):

При откорме крупного рогатого скота на площадках применяют раздатчики-смесители кормов в двух вариантах: навесном – на базе шасси автомобилей ЗиЛ-433362, ЗиЛ-494560, ГАЗ-3307 и прицепном – к трактору МТЗ-80/82 29, 114, 262.

Трудоемкие операции по уборке навоза также механизированы.

Механическое удаление навоза наибольшее распространение получило на свиноводческих фермах и фермах крупного рогатого скота.

На выгульных крытых площадках этих ферм навоз убирается при помощи агрегата БН-1, представляющего собой трактор МТЗ-80/82, оборудованный бульдозером БН-1.

В коровниках, где скот содержат на грубой подстилке, навоз убирают трактором ДТ-75 с бульдозером. При боковом содержании коров для уборки навоза может также применяться трактор с бульдозерной навеской. Для транспортировки навоза из коровника его грузят в транспортные средства навесными тракторными погрузчиками.

Вышеперечисленные агрегаты, работают в совокупности с МЭС. Эта взаимосвязь прослеживается не только в животноводческо-птицеводческой сфере, но и, например, в культивационной.

В настоящее время в тепличных комбинатах механизированы все трудоемкие работы по смене и обработке почвы, приготовлению почвенных смесей, посеву, подкормке, борьбе с болезнями и вредителями, транспортировке.

Такие важные этапы обработки почвы в теплицах, как вскапывание и фрезерование осуществляются МЭС в совокупности с почвообрабатывающими машинами, краткая техническая характеристика которых представлена в таблице 1.2.

Приоритет при выполнении энергоемких работ в теплицах отдается тракторам ВТЗ-2027, ВТЗ-3069 и «Универсал 445V», а также самоходным шасси ВТЗ-30СШ. Эти МЭС малогабаритные, мощные, обладают хорошей маневренностью, небольшой массой, малым радиусом поворота и широким диапазоном скоростей.

почвообрабатывающих машин Агрегатирование Производительность (га/ч):

Значительная часть перевозок внутри тепличных комбинатов, в отличие используются более мощные и габаритные МЭС (Т-40, МТЗ-80/82, ЮМЗ-6, ГАЗ-3307, ЗИЛ-4331 и т.п.), осуществляется в основном тракторами ВТЗ-2027, автомобилями с разрешенной максимальной массой до 3500 кг (УАЗ-3303, ГАЗ-3302 и т.п.) 29, 114.

Погрузочно-разгрузочные работы как в тепличных комбинатах, так и в складских помещениях выполняются самоходными транспортными средствами (автотракторными подъемниками, электропогрузчиками и т.п.).

Среди средств механизации погрузочно-разгрузочных и транспортноскладских работ автотракторные и электропогрузчики являются наиболее массовыми универсальными машинами. Они обеспечивают высокие эксплуатационные показатели при сравнительно небольших капитальных вложениях и коротких сроках окупаемости.

Электропогрузчики (ЭП-103, ЭП-0801 и т.п.), используемые в тепличных и складских комбинатах, более гигиеничны, чем автотракторные погрузчики (4045Р, 4022, ПУТ-0,7 (агрегатируемые с трактором ВТЗ-2027, ВТЗ-3069) и т.п.), выделяющие ОГ 29, 316.

Однако автотракторные погрузчики имеют ряд преимуществ перед электропогрузчиками: высокую маневренность, независимость от источников электроснабжения; возможность работы в любых погодных условиях вне помещений, в том числе в холодное время года в неотапливаемых помещениях и на открытых площадях; более высокие рабочие скорости, чем у электропогрузчиков, а, следовательно, большую производительность.

Автотракторные погрузчики способны работать на крутых подъемах и спусках, на неровных площадках (в то время как электропогрузчики, особенно помещений) 131, 316.

В данном разделе рассмотрена лишь незначительная часть того, на что трудоемкие операции. Однако существенным недостатком МЭС является наличие ОГ от работающего двигателя внутреннего сгорания (бензинового или дизельного), что ограничивает их применение в помещениях без специальных устройств или мероприятий, способствующих снижению токсичности ОГ.

1.2. Анализ способов и средств обеспечения воздухообмена в помещениях при работе в них мобильных энергетических средств с двигателем внутреннего сгорания сельскохозяйственного назначения ограниченного объема применяют вентиляционные устройства, которые предназначены для поддержания оптимального режима температуры, влажности и скорости воздуха, а также для удаления вредных веществ, входящих в состав ОГ.

Вентиляция является одним из способов поддержания воздушно-газового режима помещения на безопасном для людей и продукции уровне.

производственных зданий и сооружений представлена на рисунке 1.3. 42, 43, 73, 74.

Н Е Р Е ГУ Л И РЕГУЛ ИРУЕ МА Я

РУ ЕМАЯ

И С К У СС ТВ Е Н Н АЯ Е С ТЕ СТ В Е Н Н А Я С М ЕША ННАЯ

О Б Щ Е О Б М Е Н Н АЯ

ВЕ НТИЛ ЯЦИЯ

АВА РИЙНАЯ

КОМ Б И НИРОВА ННАЯ

ПРИТОЧНОП Р И ТО Ч Н А Я

ВЫ Т Я Ж Н А Я

ВЫ ТЯ Ж НАЯ

РАСС РЕДОТ ОК О М П А К ТН А Я

ЧЕННАЯ

Рисунок 1.3 – Классификация систем вентиляции сельскохозяйственных Вентиляция с механическим побуждением позволяет удалять из помещений строго ограниченное количество загрязненного воздуха и заменять его свежим. Кратность воздухообмена вентиляции выбирается с учетом помещениях может быть естественная, а в необходимых случаях – смешанная (с механическим и естественным побуждением тяги). На вентиляцию помещений и связанное с ней движение воздуха влияют различные факторы.

Наиболее важные из которых высота помещения, разность температур и давлений снаружи и внутри помещения. Чем больше эффект тяги, тем больше кратность воздухообмена. Эффективность вентиляции также зависит от силы и направления воздушных масс вне помещения.

При выборе типа вентиляции учитывается специфика загрязнения воздушной среды помещений сельскохозяйственного назначения ОГ.

Следует учитывать то обстоятельство, что все существующие методики по проектированию и расчету вентиляции проводятся без учета того, каким образом выполняются технологические операции в помещениях. Так, например, некоторые продукты производства под действием низких температур претерпевают различные изменения, которые ведут к увеличению себестоимости продукции, а иногда и полной ее утрате. Поэтому в зимний период времени по экономико-технологическим причинам многие помещения не проветривают. Следовательно, с учетом специфики загрязнения воздушной среды необходим выбор тех средств механизации, которые позволят локально устранить или минимизировать выброс токсичных веществ ОГ ДВС и потребуют при этом минимум затрат.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что при работе МЭС в помещениях для поддержания оптимального микроклимата в них, в частности, обеспечения содержания токсичных и канцерогенных веществ ниже ПДК, необходимо применение мер, которые бы обеспечивали устранение влияния вредных веществ, содержащихся в ОГ ДВС мобильных энергетических средств, на все составляющие производственного процесса (обслуживающий персонал, продукцию, производственные здания и сооружения, орудия производства и т.п.).

1.3. Экологические и экономические аспекты загрязнения воздушной отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания мобильных обслуживающего персонала и качество сельскохозяйственной Основными источниками загрязнения атмосферы являются природные, производственные и бытовые процессы.

В настоящее время ДВС является одним из интенсивных источников загрязнения атмосферы в зоне активной производственной деятельности человека.

В сельскохозяйственном производстве проблема загрязнения атмосферы продуктами выхлопа ДВС менее остра, так как источники загрязнения – тракторы, автомобили, мобильные и стационарные сельскохозяйственные машины с ДВС – рассредоточены на больших площадях. Эта проблема приобретает остроту и, в отдельных случаях, препятствует полноценному использованию мобильной сельскохозяйственной техники, когда она применяется в производственных помещениях (животноводческоптицеводческие и складские помещения, теплицы, гаражи и т.п.).

Так, например, работа мобильных энергетических средств с ДВС в животноводческих помещениях оказывает негативное влияние на их микроклимат, а, следовательно, на здоровье животных и их продуктивность.

При несоответствии микроклимата оптимальным зоогигиеническим параметрам надои молока снижаются на 10…20%, прирост массы животных – на 20…30%, отход молодняка достигает 30% 38, 276, 281, 283.

При содержании животных в закрытых, плохо вентилируемых зданиях в воздухе стойловых помещений скапливается значительное количество углекислого газа, выделяемого при дыхании, что негативно сказывается как на продуктивности животных, так и на их здоровье.

Если в наружном воздухе содержится 0,03…0,04% СО 2, то в помещениях для животных его содержание может достигать 0,4…1,0%, от чего снижается сопротивляемость заболеваниям 38, 276.

В результате разложения и брожения навоза воздух в стойловых помещениях загрязняется аммиаком (NН 3 ) и сероводородом (Н 2 S). Они оказывают вредное действие на организм животных, ослабляют их и способствуют заболеванию. Кроме того, аммиак раздражает слизистую оболочку глаз и дыхательных путей. Сероводород является ядом для кровеносной и нервной системы, поэтому по зоогигиеническим требованиям углекислоты в воздухе стойловых помещений зданий для крупного рогатого скота не должно превышать 0,25…0,3% по объему, аммиака составляет не более 0,0025…0,0031%, а сероводорода – не более 0,001% по объему 38, 276.

В теплицах воздействие загрязненного воздуха на растения вызывает нарушение функции их ассимилирующего аппарата. Происходит разрушение протоплазмы и хлоропластов в листьях, прекращается деятельность устьиц, возникают другие патологические явления, сопровождающиеся некрозом тканей 38, 71, 228, 276. Все это приводит к снижению урожайности и качества получаемой продукции.

Важное значение имеет газообмен как надземной части растений, так и корневой системы. Важнейшими показателями тепличного грунта являются его воздухопроницаемость и рыхлость, так как корни и почвенные микроорганизмы нуждаются в кислороде для дыхания. Избыток углекислого газа и недостаток кислорода угнетают дыхание корней. Потенциальная возможность тепличных культур поглощать СО 2 значительна до (0,15-0,20%).

Однако, высокие концентрации СО 2 в воздухе теплиц в определенных условиях могут привести к повреждениям листового аппарата и органов плодоношения.

При концентрации СО 2 свыше 0,22% у томатов происходит избыточное накопление крахмала и наблюдается некроз листьев. Концентрации СО 2 свыше 0,15% при резком наступлении ясной погоды после продолжительного пасмурного периода может привести к повреждению листьев огурцов.

Опасность для растений представляют двуокись серы (SО 2 ), оксиды азота (NО х ) и продукты фотохимических реакций. Накапливаясь в растениях, они вызывают нарушение роста и развития, а также создают опасность для людей и животных 38, 71, 228, 282.

Особо опасна для растений двуокись серы SО 2, разрушающая хлорофилл.

Установлено, что при длительном воздействии SО 2 концентрацией 0,015…0,035 мг/м3 потеря в приросте растительной массы составляют 20%, а постепенной гибели растений способствует концентрация 0,08…0,10 мг/м3, а в осенне-зимний период 0,20 мг/м3 38, 71, 228, 282.

В значительно меньшей степени изучено воздействие на растения оксидов азота (NО х ). Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации NО х в воздухе в пределах 0,4…0, мг/м3. При концентрации, близкой к нижнему пределу, токсичное воздействие оксидов азота обнаруживается через несколько десятков часов, а к верхнему пределу повреждение растений наблюдается через 2 часа.

Под воздействием солнечной радиации возрастает токсичность оксидов азота в результате реакций их с воздухом. Продуктами этих фотохимических реакций является озон, который вступает в реакции с ненасыщенными углеводородами и NО х, образуя очень вредные для растений соединения. Также опасно для растения совместное воздействие NО х и SО 2.

производственных помещений снижает производительность труда обслуживающего персонала, сказывается на его здоровье, так как отрицательно воздействует на нервную систему, вызывает кислородное голодание, а иногда и более тяжелые последствия.

Следует учитывать тот факт, что токсичные и канцерогенные вещества накапливаются в почве, растениях, животных и т.п., а затем непосредственно или через продукцию попадают в организм человека.

Перечисленные выше отрицательные последствия загрязнения окружающей среды продуктами выхлопа ДВС являются лишь вершиной айсберга негативных последствий. Они ставят на повестку дня вопрос о разработке методов и средств снижения их вредного воздействия путем снижения концентрации токсичных компонентов выхлопа до концентрации безопасных норм.

1.4. Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания Отработавшие газы ДВС имеют большое количество компонентов 49, 51. Точно определить объем вредных выбросов в атмосферу двигателями практически невозможно. Величина выбросов ВВ зависит от многих факторов, таких, например, как конструктивные параметры, процессы подготовки и сгорания смеси, режим работы двигателя, его техническое состояние и др. На основании данных о среднем статистическом составе смеси для отдельных видов двигателей и соответствующих им величин выброса токсичных веществ на 1 кг израсходованного топлива, зная расход отдельных топлив, можно определить суммарную эмиссию.

Состав ОГ (таблица 1.3) двигателей с определенными конструктивными параметрами в значительной степени зависит также от режимов работы.

Таблица 1.3 - Количество токсичных компонентов, выделяемых при сгорании 1 кг топлива, мг Токсичный компонент В основном здесь оказывают влияние такие факторы как величина коэффициента избытка воздуха, угол опережения зажигания (впрыска), нагрузка, частота вращения коленчатого вала двигателя, степень сжатия и форма камеры сгорания 61, 112.

Выброс токсичных компонентов зависит также и от вида двигателя. Об этом говорят данные, приведенные в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Сопоставление величин токсичных компонентов выбросов различными силовыми установками ДВС с искровым зажиганием:

Дизель:

Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что присутствие токсичных компонентов в ОГ ДВС обусловлено рядом конструктивных и регулировочных факторов, видом используемых горюче-смазочных материалов, процессом сгорания, условием работы и технического состояния двигателей.

К числу основных токсичных веществ, выделяемых с ОГ, относятся:

окись углерода, оксиды азота и серы, углеводороды, альдегиды, сажа, а также свинец и его соединения. Однако для бензиновых ДВС основными токсичными компонентами являются окись углерода, несгоревшие углеводороды, окислы азота, свинец и его соединения, а для дизелей – окислы азота, дымность (сажа), запах 179.

Число МЭС с ДВС непрерывно увеличивается в связи с возросшей механизацией сельскохозяйственных производственных процессов, что повышает загрязнение окружающей среды ВВ. Поэтому для снижения интенсивности загрязнения атмосферы необходимо резкое снижение ВВ, выделяемых ДВС. В первую очередь это относится к МЭС, работающим в помещениях сельскохозяйственного назначения.

1.5. Токсичность отработавших газов дизельного двигателя. Их сельскохозяйственных производственных помещений ДВС является одним из источников загрязнения окружающей среды.

Проведенные исследования показали, что ОГ содержат более 1000 различных веществ 49, 51, 112.Помимо прямого вредного воздействия на человеческий организм некоторые выбрасываемые в атмосферу двигателем ТВ приводят к образованию ядовитого фотохимического тумана. Причиной его образования является сложное взаимодействие выбрасываемых ДВС в атмосферу оксидов азота, углерода, непредельных углеводородов и полициклических ароматических углеводородов.

В настоящее время большинство МЭС в сельском хозяйстве имеют в качестве силовых установок дизельные ДВС. По своей природе ОГ этих двигателей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров и капель жидкостей, дисперсных частиц твердых веществ. Состав ОГ дизельных ДВС подобен составу ОГ других типов двигателей, использующих углеводородное топливо, например, бензиновых (таблица 1.5) 49, 51, 112.

происхождения и атмосферного воздуха в качестве окислителя ОГ дизельных двигателей на 99,00-99,98% состоят из продуктов полного сгорания топлива (СО 2 и Н 2 О) и воздуха с пониженным содержанием кислорода.

Таблица 1.5 - Состав отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей Токсичность ОГ дизелей определяется в основном остальными 0,02-1,00% из объема, куда входят вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (оксид азота), а также продукты неполного сгорания топлива (несгоревшие углеводороды, оксид углерода, спирты, кетоны, кислоты, перекиси, сернистый ангидрид, частицы угля и сажи, продукты конденсации и полимеризации). Кроме продуктов сгорания топлива, в ОГ дизельных двигателей присутствуют продукты сгорания смазочного масла – вещества, образующиеся из присадок к топливу, а также твердые частицы. В частности, было установлено, что в ОГ бензинового двигателя присутствуют многочисленные элементы из материала конструкции двигателя (Fe, Ni, Cu, Zn, Cr). Это явление имеет место и для дизелей, многие металлы обнаруживаются в золе, содержащейся в дизельной саже.

Присутствие мельчайших сажистых частиц в ОГ дизельных двигателей определяет темную окраску и уровень дымности этих газов. Появление черного дыма на выпуске, особенно при значительном увеличении цикловой подачи топлива, при перегрузках, при переходе с одного режима на другой и т.п., является характерным для всех без исключения дизелей и свидетельствует об интенсивном выделении в цилиндрах двигателя углерода в виде сажи. На протяжении многих лет дизельная сажа считалась относительно безвредной для живых организмов и рассматривалась только с точки зрения ухудшения видимости и вызываемого дымом неприятного ощущения. В настоящее время установлено, что сажевые частицы являются активным адсорбентом и служат основными носителями сильнейших токсичных и канцерогенных веществ. Так, при содержании 130 мг сажи в 1 м3 ОГ они становятся видимыми, а при содержании 600 мг в 1 м3 принимают цвет средней черноты.

Проведенные исследования 51 показали, что большинство частиц сажи имеют размеры 0,04-0,50 мкм. В свою очередь, они состоят из более легких частиц с размерами 0,15-0,17 мкм. Эти частицы имеют значительную площадь поверхности. Так как видимые ОГ соответствуют содержанию 130 мг сажи в м3 газа, то в таком объеме имеется поверхность для возможного осаждения на них канцерогенных веществ до 10 м2, а для ОГ средней черноты до 45 м2. По этой причине сажа в выхлопе двигателя опасна не только как механический загрязнитель легких человека, но и как активный переносчик канцерогенных веществ.

При работе на номинальной мощности дизельные ДВС выделяют меньше токсичных веществ с ОГ нежели бензиновые (таблица 1.6) 68, 112.

Содержание такого опасного канцерогенного вещества как бенз/а/пирен в выхлопе дизельных двигателей меньше, чем бензиновых двигателей. Но с экологической точки зрения, дизельные двигатели уступают бензиновым по содержанию в ОГ сернистого ангидрида и сажи.

Следует отметить, что на состав ОГ дизельного двигателя большое влияние оказывает режим работы. Так снижение скоростного режима ведет к увеличению содержания сажи и оксида азота. Это объясняется ухудшением процесса смесеобразования, более длительным действием высокой температуры, вызывающим закалку оксида азота. Увеличение нагрузки вызывает повышение токсичных компонентов, особенно при нагрузках, близких к максимальным. Содержание канцерогенных веществ особенно велико при пуске и остановке двигателя.

Таблица 1.6 - Выделения вредных веществ бензиновых и дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива при работе на номинальной мощности, г/кВтч Альдегиды (в пересчете на акролеин) Оксид азота (в Углеводороды (в Действие токсичных компонентов ОГ на человеческий организм разнообразно, от инициации незначительных неприятных ощущений до онкологических заболеваний. Степень их воздействия зависит от концентрации в атмосфере и индивидуальных особенностей человека.

Нормирование токсичности ОГ является главным стимулом к созданию нормирование токсичности ОГ и картерных газов было введено в 1959 г. в штате Калифорния в США. В 1964 г. в этом же штате для автомобилей, начиная с выпуска 1966 г. была введена система контроля токсичности ОГ, а в 1970 г. в США был утвержден Государственный (федеральный) стандарт, основой Экономической комиссией ООН рекомендованы единые для государств Европы Правила оценки токсичности ОГ и картерных газов (Правила №15 и №49). С 2000 г. в странах ЕЭС должны выполняться Правила №83.03, Правила №49 и Правила №24.

В нашей стране нормирование токсичности ОГ началось в 1970 г.

утвержден специальный ГОСТ 16533-70. В настоящее время существуют стандарты, разработанные в США, Европе и Японии, представляющие собой регионы с наиболее жестким нормированием выбросов. Эти стандарты постоянно совершенствуются, а нормы становятся все более жесткими.

Сформировалась четкая тенденция приближения европейских стандартов к стандартам США. Российские стандарты уже сейчас во многом идентичны Правилам №83.03 ЕЭК ООН, предусматривающим пять типов испытаний.

В России с 1 января 2008 г. введены нормативы «Евро-III» для автомобилей, затем с 1 января 2010 г. - «Евро-IV», которые сменят «Евро-V» – с 2014 г. (таблица1.7.). Следует отметить, что на внедорожные машины эти нормативы не распространяются. Для самоходной техники существуют собственные нормативы разработанные Евросоюзом и именуемые Stage II и Stage III [264, 265, 266, 267]. Этими нормами регламентируется максимальное содержание в ОГ четырех токсичных составляющих – оксидов углерода (СО), азота (NO x ), углеводородов (НС) и твердых частиц или сажи (РМ).

Таблица 1.7 – Нормы токсичности отработавших газов дизелей Токсичные вещества, г/(кВтч) Нормативы Stage I были введены в течение 1999 года. Более жесткие Stage II вступали в действие поэтапно. С января 2001 г. под их действие попали двигатели мощностью 18 – 37 кВт, а с января 2002 года Stage II распространились на дизели мощностью от 130 до 560 кВт, которыми оборудуются строительные машины массой от 20 до 100 т (таблица 1.8) [264].

Таблица 1.8 – Нормы токсичности ОГ дизельных двигателей Stage II (г/кВт.ч) Нормы токсичности для двигателей внедорожных машин, разработанные в США 1998 году, вводились в действие в три этапа. Стандарты Tier 1 начали действовать в период с 1996-го по 2000 год. Более жесткие Tier 2 - с 2001-го по 2006 год, а им на смену в период с 2006-го по 2008 год пришли еще более строгие стандарты Tier 3. Следует отметить, что Tier 3 относятся только к двигателям мощностью 37...560 кВт (таблица 1.9) [267].

внедорожных машин Tier 1…3, установленные EPA, г/кВт. ч, (г/л.с.. ч) двигателя, кВт (л.с.) Tier введения Влияние отдельных компонентов ОГ на организм человека изучено достаточно полно. Практически для каждого компонента ОГ установлены ПДК (таблица 1.10), определенные, исходя из принципа полного отсутствия их воздействия на организм человека 32, 68, 69, 232, 233.

Присутствие в ОГ большого числа ВВ, значительное колебание их концентрации в зависимости от конструктивно-режимных параметров не позволяет с требуемой надежностью оценить токсичные свойства ОГ в целом.

Таблица 1.10 - Предельно допустимая концентрация основных токсичных компонентов отработавших газов в атмосфере Углеводороды (в Ниже представлены основные составляющие токсичного выхлопа дизельного двигателя внутреннего сгорания 49, 112.

Окись углерода (СО). В обычных условиях окись углерода – это газ, без запаха и цвета. Окись углерода легче воздуха и легко распространяется в атмосфере. Под действием окиси углерода красные кровяные шарики – эритроциты теряют способность участвовать в газовом обмене организма человека. Наступает кислородное голодание, сказывающееся, прежде всего, на центральной нервной системе. При остром отравлении окисью углерода у человека наступает резкая слабость, шум в ушах, головокружение и головная боль, появляется боль в области сердца, тошнота и иногда рвота. Человек перестает ориентироваться в пространстве, у одних наступает сонливость, у других возбуждение. Иногда наблюдаются судороги, а нередко пострадавший теряет сознание. Окись углерода в количестве свыше 0,01% по объему может вызвать признаки отравления. Вдыхание воздуха с 0,12% окиси углерода через 0,5 часа вызывает легкое сердцебиение, через 1,5 часа головокружение, а через 2 часа головную боль, тошноту и частичную потерю сознания. Концентрация в воздухе окиси углерода 0,20-0,25% через 0,5 часа приводит к обморочному состоянию.

Оксиды азота (NО х ). В отработавших газах ДВС присутствуют два вида окислов азота: оксид азота (NО) – бесцветный газ и двуокись азота (N 2 О 5 ) – газ красновато-бурого цвета с характерным запахом. Попадая в организм человека, они соединяются с водой (Н 2 О), образуя в дыхательных путях соединения азотной (HNO 3 ) и азотистой (HNO 2 ) кислот. При отравлении оксидами азота характерно наличие скрытого периода. Человек удовлетворительно чувствует себя при работе с опасными концентрациями оксидов азота, а впоследствии тяжело заболевает. Вдыхание с воздухом 0,01% оксидов азота в течение 0,5-1, ч может вызвать серьезные заболевания. По действию на организм человека оксиды азота практически в 10 раз опаснее окиси углерода. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа и рта. Кроме того, оксиды азота участвуют в процессах, ведущих к образованию смога. Для удобства сравнения содержания оксидов азота оба газа принято рассматривать в сумме с пересчетом на N 2 О 5 по количеству атомов азота.

Альдегиды (R х СНО) присутствуют в ОГ в основном в виде формальдегида и акролеина.

Формальдегид (СН 2 =О) в обычных условиях представляет собой газ с резким неприятным запахом. При охлаждении конденсируется в жидкость, кипящую при температуре минус 21С (-294 К), раздражающе действует на все слизистые оболочки и поражает центральную нервную систему. Как острое, так и хроническое отравление газообразным формальдегидом вызывает воспаление органов дыхания. При концентрации формальдегида в атмосфере 0,007% наблюдается раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек глаз и носа, а при концентрации 0,18% уже сильное раздражение.

Формальдегид обнаруживается по резкому запаху при его содержании в воздухе 0,0002 мг/л.

Акролеин (СН 2 = СНСНО) – газ (при температуре ниже 52,5С – жидкость) с острым раздражающим запахом подгоревших жиров и масел.

Ядовит, пары его тяжелее воздуха. Сильно раздражает слизистые оболочки и обладает общим токсичным действием. Содержание в атмосфере 0,002% акролеина непереносимо, 0,0005% - трудно переносимо, 0,00008% - для человека не опасно.

Углекислый газ (СО 2 ). Без цвета и запаха, тяжелее воздуха, поэтому скапливается в пониженных местах. Повышение углекислого газа в атмосфере вызывает у человека учащенное дыхание. Содержание углекислого газа 20-25% по объему опасно для жизни. Там, где скопление таких больших местных концентраций углекислого газа в атмосфере маловероятно (открытые объемы), углекислый газ не следует относить к категории токсичных. Однако, при работе ДВС в закрытых помещениях ограниченного объема он вреден для здоровья человека.

Сернистый газ (SО 2 ) и сероводород (Н 2 S) оказывают сильное раздражающее действие на слизистые оболочки глаз и органов обоняния. Губят растения, разрушают хлорофилл, вызывают гибель клеток, изменяют коллоидное состояние протоплазмы, увеличивают ее дисперсность и уменьшают гигроскопичность тканей.

солнечного света дополнительно вступают в реакции с оксидами азота (N x O y ), образуя озон (O 3 ) и перекиси (H x O y, Н х N). Последние вызывают раздражение глаз, горла, носа, губят растения.

Канцерогенные вещества. К числу особо опасных канцерогенных веществ в ОГ следует отнести бенз/а/пирен и ряд других. Особенно опасен бенз/а/пирен (С 20 Н 12 ). Исследования показывают, что для возникновения канцерогенного вещества с живой тканью. Причем опухоль появляется на месте этого контакта. В ОГ переносчиком канцерогенных веществ могут являться частицы сажи. Канцероген, попадая в организм человека не выводится из него до конца его жизни. Накопление в организме до опасных концентраций идет постепенно. Это одна из причин увеличения удельного веса смертности человека от онкологических заболеваний ввиду бурного развития промышленности и транспорта.

Сажа (С х ) - мелкая пыль, засоряет дыхательные пути, раздражает их и может явиться причиной хронических заболеваний. Главная опасность сажи заключается в том, что на ее поверхности адсорбируются токсичные и канцерогенные вещества.

По степени воздействия на организм ВВ подразделяются на четыре класса опасности: I – чрезвычайно опасные, II – высокоопасные, III – умеренно опасные и IV – мало опасные.

Из всех веществ к первому классу относится только бенз/а/пирен (С 20 Н 12 ), для других канцерогенных веществ класс опасности не установлен. Ко второму классу опасности относятся 10 веществ: оксид азота (N x O y -аэрозоль), фенатрен, бензол (С 6 Н 6 ) и его производное фенол (С 6 Н 5 -ОН), формальдегид (СН 2 =О), акролеин (СН 2 = СНСНО) и т.д., к третьему классу относятся вещества, к четвертому – 40. Следует учитывать, что при одновременном содержании в атмосферном воздухе нескольких веществ их направленное действия как сумма отношений фактических концентраций каждого из них (С 1, С 2, …, С i ) к их предельно допустимой концентрации (ПДК 1, ПДК 2, …, ПДК i ) не должны превышать единицы.

При одновременном содержании в атмосферном воздухе нескольких ВВ, не обладающих однонаправленным действием, ПДК считаются такими же, как при изолированном воздействии 146.

1.6. Анализ способов и средств снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя мобильного энергетического средства Способы и средства для снижения токсичности вредных веществ, входящих в состав ОГ дизельного двигателя, можно разделить по двум направлениям на три основные группы (рисунок 1.4) 50, 105.

Рисунок 1.4 - Способы и средства снижения токсичности вредных веществ в отработавших газах дизельного двигателя.

дизельного двигателя Рассмотрим более подробно некоторые из способов представленных на рисунке 1.4.

Одним из путей устранения влияния ВВ, содержащихся в ОГ дизельного двигателя, на обслуживающий персонал, животных, птиц и растения, является применение специальных устройств, не допускающих проникновения ОГ ДВС сооружений.

Стационарные устройства для удаления ОГ дизельных двигателей МЭС в сущности напоминают друг друга 5, 6, 10. Принцип их работы заключается в отводе ОГ ДВС за пределы атмосферы помещения сельскохозяйственного назначения с помощью специальных вытяжных воздуховодов, соединенных с выхлопной трубой двигателя.

Производительность их высока и они способны поддерживать ПДК вредных веществ ОГ в воздухе рабочей зоны согласно санитарным нормам.

Однако из-за своей стационарности эти устройства не могут применяться на помещений сельскохозяйственного назначения.

Конвейерные устройства удаления ОГ из атмосферы производственных помещений более мобильные, чем стационарные 212, 253. С точки зрения сельскохозяйственного назначения на требуемом уровне они занимают высокие позиции. Однако сложность конструкций, обеспечивающих отвод ОГ от нецелесообразность их использования в помещениях сельскохозяйственного газоотводящих воздуховодов при выполнении производственных операций.

1.6.2. Нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя.

Другим направлением снижения токсичности ОГ дизельного двигателя является нейтрализация.

Нейтрализация токсичных веществ ОГ дизельного ДВС может быть осуществлена при помощи нейтрализаторов, основанных на различных принципах действия. Выделяющиеся с ОГ дизельного ДВС продукты неполного сгорания (СО, СН, альдегиды) могут быть окислены до конечных продуктов СО 2, Н 2 О в термических или каталитических нейтрализаторах. Для нейтрализации NО х необходимо протекание восстановительной реакции, которая неосуществима в нейтрализаторах ОГ дизельных двигателей из-за наличия в ОГ значительного количества свободного кислорода 50, 112, 142.

Поэтому нейтрализаторы целесообразно использовать совместно с дизельными ДВС, у которых выделение NО х снижено до необходимых пределов с помощью других средств.

Токсичные компоненты ОГ могут быть нейтрализованы во впускной системе двигателя. С целью их окисления до конечных продуктов сгорания в поток горячих ОГ непосредственно за выпускной клапан подают воздух 112.

Дожигание выделяющихся продуктов неполного сгорания топлива в термических нейтрализаторах все же возможно. Однако их широкому распространению мешает необходимость затраты дополнительной тепловой энергии для поддержания в тепловой камере нейтрализатора температуры порядка 700-800С. Следует также отметить, что вследствие возрастания давления ОГ в выпускной системе с встроенным реактором, происходит некоторое уменьшение мощности двигателя при увеличении удельного расхода топлива.

Более перспективны каталитические нейтрализаторы. Они служат для дожигания (окисления) продуктов неполного сгорания (С n H m и СО) и разложения оксидов азота (NО х ). Каталитическое действие нейтрализаторов основано на беспламенном поверхностном окислении ТВ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию. Процесс окисления происходит во время прохождения ОГ через слой носителя с нанесенным на него катализатором (платина, палладий), причем скорость реакции сгорания зависит также от температуры носителя 112.

Однако в процессе эксплуатации эффективность такого нейтрализатора снижается из-за отложения сажи и смол на поверхности дорогостоящего нейтрализатора 142, а это усложняет задачу создания надежного дешевого каталитического нейтрализатора для массового использования на дизельных ДВС.

Особую нишу занимают жидкостные нейтрализаторы (ЖН). Их принцип работы основан на растворении или химическом связывании токсичных компонентов при пропускании ОГ через жидкость соответствующего состава.

Существуют разные формы и размеры этих нейтрализаторов, но принцип работы у всех одинаков 112.

На кафедрах «Автотракторные двигатели и теплотехника», «Механизация животноводства» Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева была разработана конструкция ЖН ОГ [163, 208].

Предлагаемый жидкостный нейтрализатор (рисунок 1.5) состоит из прямоугольной емкости 1 с впускным трубопроводом 2, соединенным с выхлопной трубой 3 двигателя и выпускным трубопроводом 4, сообщенным с атмосферой. Нижняя основная труба 5 коллектора 6 размещена у дна емкости 1.

Коллектор 6 включает горизонтально расположенные трубки 7, каждая из которых заканчивается коническим уклоном к ее концу. В каждой трубке выполнены отверстия 8 с зенковкой. К внутренним стенкам емкости жестко прикреплены успокоители 9, представляющие собой пластины с отверстиями.

1 – емкость жидкостного нейтрализатора; 2 – впускной трубопровод;

3 – выхлопная труба двигателя; 4 – выпускной трубопровод; 5 – основная труба коллектора; 6 – коллектор; 7 – трубки коллектора с коническим уклоном;

8 – отверстия с зенковкой; 9 – пластины успокоителя; 10 – уровень жидкости над коллектором; 11 – крышка нейтрализатора; 12 – сетчатый фильтр, в котором находится минеральная вата; 13 – сливной патрубок с краном;

14 – решетка для материалов дополнительной очистки.

Рисунок 1.5. – Схема жидкостного нейтрализатора Отверстия на двух смежных пластинах смещены по отношению друг к другу.

Успокоитель предназначен для выравнивания и частичного улавливания водного раствора. Над успокоителями находится решетка 14, на которую можно укладываются материалы для дополнительной очистки ОГ. Емкость частично заполнена рабочей жидкостью до уровня 10 над коллектором 6.

Выпускной трубопровод 4 размещен в крышке 11 и снабжен сетчатым фильтром 12. Внутри сетчатого фильтра находится минеральная вата для дополнительной очистки ОГ и частичного отделения влаги. Дно емкости выполнено с уклоном к сливному патрубку с краном 13.

Перед работой нейтрализатор необходимо залить рабочей жидкостью. При работе двигателя ОГ по выхлопной трубе 3 поступает во впускной трубопровод 2 и далее под давлением в разветвленный коллектор 6. Для равномерного распределения давления по трубкам 7 коллектора необходимо, чтобы площадь поперечного сечения основной трубы 5 коллектора была равна сумме площадей сечения в начале трубок. Отверстия в трубках 7 коллектора должны быть размещены таким образом, чтобы их площадь равнялась площади, на которую уменьшается поперечное сечение трубок. При этом будет происходить равномерное распределение давления ОГ по трубкам. Отверстия 8, выполненные с зенковкой, располагаются в шахматном порядке и направлены вниз для равномерного распределения ОГ по всей площади дна. При соударении ОГ с дном нейтрализатора происходит более эффективное взаимодействие с жидкостью, что способствует лучшей очистке ОГ.

В процессе перемещения ОГ частицы сажи контактируют с жидкостью, утяжеляются и оседают на дно емкости 1. ОГ, вступая в реакцию с рабочей жидкостью, очищаются и нейтрализуются. Затем ОГ проходят через успокоители и расположенную выше их брикетированную древесную или металлическую стружку толщиной 100-150 мм, уложенную на специальную решетку 14. Дополнительно очищенные вышеуказанным способом ОГ покидают корпус нейтрализатора через выпускной трубопровод 4 и фильтр 12, где частично происходит отделение влаги и дополнительное очищение. В процессе эксплуатации нейтрализатор регулярно освобождают от отработавшей жидкости и осадка через сливной патрубок с краном 13.

ЖН с водными растворами некоторых элементов могут обезвреживать растворимые в воде соединения (оксиды азота и серы, альдегиды) и отфильтровывать сажу. Недостатки ЖН: большая масса и габариты, необходимость частой смены рабочего раствора или воды, возможность замерзания растворов при низких температурах, неэффективность по отношению к окиси углерода и малая эффективность по отношению к оксидам азота, интенсивное испарение жидкости (из-за высокой температуры ОГ, поступающего в нейтрализатор).

На базе только жидкостной нейтрализации нельзя обеспечить очистку ОГ от основных токсичных компонентов (NО х, СО, СН). Однако включение ЖН в комбинированные системы нейтрализации может быть рационально, особенно для установок, ОГ которых должны иметь низкую температуру при поступлении в атмосферу производственных помещений.

Различия в механизме образования и нейтрализации основных токсичных веществ (СО, СН, NО х, сажа и т.д.), содержащихся в ОГ двигателя, приводят к тому, что воздействие на рабочий процесс и конструкцию двигателя, а также применение определенных систем нейтрализации вызывает уменьшение выделения одних и увеличение выделения других ТВ. Поэтому для существенного уменьшения токсичности по их основным показателям применяются различные комбинации из рассмотренных ранее способов уменьшения токсичности двигателей. При этом сочетаются как устройства для уменьшения токсичности воздействием на рабочий процесс и конструкцию двигателя, так и различные нейтрализаторы ОГ, встраиваемые в его выпускную систему. В зависимости от требований, определяемых назначением МЭС, в комбинированную систему нейтрализации входят различные устройства, позволяющие эффективно снижать токсичность ОГ дизельного двигателя 112. Однако существенно увеличиваются масса и габариты самих нейтрализаторов, а также усложняется их конструкция, влекущая за собой увеличение трудоемкости на их техническое обслуживание и ремонт.

дизельного двигателя как способ снижения токсичности выхлопа Образование ВВ как в цилиндрах дизельного ДВС, так и при выходе из них поддается регулированию в широких пределах путем разнообразных воздействий на рабочий процесс двигателя. Наиболее эффективные представлены на рисунке 1.4.

Дымность ОГ дизельных ДВС резко возрастает при переобогащении топливо-воздушной смеси в цилиндре. Последнее наблюдается при резком повышении нагрузки (момент пуска, трогания мобильного энергетического средства с места и т.п.). Причиной переобогащения является быстрое увеличение подачи топлива регулятором. Дымность ОГ дизельных двигателей может быть уменьшена применением специальных устройств для снижения дымности, корректирующих работу регулятора 112. Эти устройства часто выполняются в виде амортизатора, который ограничивает скорость перемещения рейки топливного насоса высокого давления к положению, соответствующему максимальной подаче. Недостатком устройств является то, что их работа распространяется только на снижение дымности выхлопа и не сказывается на уменьшении токсичности остальных составляющих ОГ дизельного двигателя.

Одним из средств уменьшения выделения оксидов азота с ОГ дизельных двигателей является применение рециркуляции ОГ. В этом случае снижение концентрации оксидов азота в ОГ возможно вследствие уменьшения максимальной температуры цикла, концентрации кислорода и количества выбрасываемых в атмосферу ОГ 112. Последнее происходит в результате понижения коэффициента наполнения двигателя. Однако возрастание доли рециркулирующих газов приводит к существенному снижению мощности двигателя и увеличению удельных расходов топлива, а также к ускоренному износу двигателя 50.

Выделение оксидов азота зависит в основном от максимальных местных температур, концентрации свободного кислорода в продуктах сгорания и от времени протекания реакций. Изменяя угол опережения впрыска топлива, можно воздействовать в нужном направлении на максимальную температуру сгорания, а также на период задержки воспламенения топлива. При увеличении угла опережения впрыска топлива содержание сажи в ОГ уменьшается, но существенно возрастает концентрация NО х 112. При уменьшении угла опережения впрыска топлива существенно снижается максимальная температура цикла (вследствие смещения сгорания на такт расширения), а следовательно уменьшается и концентрация NО х в ОГ. Однако значительно ухудшаются мощностные и экономические показатели дизельного ДВС 50. На выделение СН и СО изменение угла опережения впрыска топлива почти не влияет 50.

Такой способ уменьшения токсичности ОГ дизельного ДВС может рассматриваться лишь как временное мероприятие.

Большое влияние на выделение токсичных веществ с ОГ дизельных двигателей оказывает организация процессов смесеобразования и сгорания.

Двухкамерные (вихрекамерные и предкамерные) дизельные ДВС выделяют примерно 50% окислов азота, выбрасываемых однокамерными 112.

Большое значение имеет расслоение смеси. Применяя в дизельных двигателях послойное смесеобразование и сгорание, можно резко уменьшить выделение окислов азота.

Однако интерес к данному способу невелик, так как требуется применение топливной аппаратуры более высокого качества, повышение давления впрыска, подбор формы камеры сгорания, проходных сечений и направления соединительных каналов.

Одно из направлений рабочего процесса ДВС – это двухфазная подача дизельного топлива.

Топливными системами, которые позволяют осуществить характеристику подачи, близкую к теоретической, а также отвечающими в известной мере оптимальным условиям организации процесса сгорания в дизеле, являются системы двухфазной подачи, обеспечивающие регулирование интенсивности подачи топлива или подачу его отдельных порций в разные моменты времени.

Попытки использования положительных сторон двухфазной подачи топлива, осуществленные на дизельных двигателях в разных условиях, привели к созданию большого количества конструктивных схем, позволившие приблизиться к организации управляемого процесса сгорания и существенно улучшить параметры дизельных двигателей.

Анализ существующих конструктивных решений систем двухфазной подачи топлива показывает, что она осуществляется либо путем изменения основных элементов топливоподающей аппаратуры (топливного насоса и топливопровода высокого давления, форсунки), либо путем комбинации этих конструктивно измененных элементов 146, 147.

Следует отметить значительную сложность и громоздкость указанных конструктивных решений систем двухфазной подачи топлива, необходимость, в ряде случаев, оборудования дизелей двумя самостоятельными системами питания. Все это приводит к усложнению конструкции дизеля в целом, снижает их эксплуатационную надежность.

Имеет особый интерес как способ снижения токсичности применене присадок к топливу. В последние годы в связи с усилившимся загрязнением атмосферы большой интерес проявляется к применению присадок, влияющих на процесс сгорания в дизельных ДВС. По характеру действия присадки к топливу делятся на группы (рисунок 1.6.). Присадки, интенсифицирующие горение, повышают цетановое число топлива, что сказывается на процессе горения и выделении ТВ. Они не приводят к повышению износа поршневых колец и не увеличивают отложений за первым кольцом 88, 105. Эти присадки для достижения необходимого эффекта добавляются только к топливу с низким цетановым числом.

ПРИСАДКИ

Рисунок 1.6 - Присадки к топливу антидымные присадки. Органические соединения являются сильными эффективны по сравнению с металлосодержащими 50. Последние уменьшают выделение альдегидов и бенз/а/пирена, но практически не влияют на снижение окиси углерода в ОГ 105.

Комплексные антидымные присадки эффективно влияют на снижение токсичности ОГ. Однако для широкого применения на дизельных ДВС необходимо всестороннее определение их влияния на работу топливной аппаратуры, износ поршневых колец и т.п.

1.6.4. Применение альтернативных видов топлива В качестве альтернативных топлив сегодня рассматриваются топлива, получаемые из рапса, сои, подсолнечника. К возобновляемым источникам можно отнести также спирты (этиловый С 2 Н 5 ОН и метиловый СН 3 ОН) и диметилэфир СН 3 ОСН 3, которые можно получить переработкой биомассы 150, 160.

тепловыделения на эфирах масел растительного происхождения можно получить показатели, не уступающие полученным при использовании дизельного топлива. Можно лишь ожидать несколько худших пусковых качеств дизеля при запуске из холодного состояния, особенно при отрицательных температурах, в связи с высокими температурами выкипания фракций, а также больших отложений на деталях.

К преимуществам спиртов относятся:

1. Существенное (на порядок и более) снижение выброса твердых частиц при использовании спирта для впрыскивания в цилиндр. Связано это с содержанием в спиртах кислорода, малыми вязкостью и поверхностным натяжением, а также высокой испаряемостью (низкой температурой кипения).

2. То обстоятельство, что топливо состоит из одного химического соединения, с высокой испаряемостью и малым отложением на деталях, что может способствовать повышению надежности работы дизеля при высокой степени форсирования. Этому способствуют меньшие температуры заряда.

Однако повышенная упругость паров топлива может быть причиной кавитационных износов. Поэтому рекомендуется увеличение давления подкачки до 4…5 бар (0,4…0,5 МПа), применение дополнительных электроприводных подкачивающих насосов, расположенных вблизи топливных баков. В случае, если картеры двигателя и насоса соединены между собой, необходимо применять меры для предотвращения образования взрывоопасной смеси в картере.

Отмеченные мероприятия, естественно, удорожают двигатель. Нельзя не отметить и токсичность некоторых спиртов (например, метанола), которая требует определенной осторожности при их применении.

Применение диметилэфира как топлива способно решить проблемы, возникающие при работе дизеля: радикальное исключение дымления благодаря высокому содержанию кислорода в топливе, существенное снижение выбросов NО х благодаря высокому цетановому числу и короткой задержке воспламенения при рациональном выборе процесса (камера сгорания, параметры впрыскивания и распыливания, характер и интенсивность движения заряда), радикальное снижение шумоизлучения от процесса горения и обеспечение высоких пусковых свойств.

Монотопливо, такое как диметилэфир, с низкой температурой кипения обеспечивает также исключительно малые отложения на деталях.

В то же время при применении диметилэфира сохраняются известные преимущества дизелей: высокая экономичность, особенно при использовании непосредственного впрыскивания, воспламенение от сжатия и качественное регулирование, являющиеся наиболее надежным способом инициирования горения, высокая надежность и долговечность, которая при работе на диметилэфире может повыситься в результате меньшего попадания в смазочное масло сажи.

Безопасность диметилэфира для окружающей среды и здоровья людей подтверждается многолетним его использованием в парфюмерной промышленности.

В тоже время следует отметить, что низкая температура кипения диметилэфира требует применения для хранения топлива баллоны по типу тех, которые используются при работе на сжиженном пропан-бутановом газе.

Давление паров диметилэфира равно 5 бар при 20°С.

диметилэфира. Необходимы специальные замкнутые системы подачи без взаимодействия с атмосферой. Это диктуется утечками диметилэфира и образованием взрывоопасных смесей.

Альтернативные топлива, относящиеся к возобновляемым источникам, особенно привлекательны для стран с тропическим климатом и в целом для стран с благоприятными условиями выращивания биомассы. Для России наиболее важным является применение в качестве альтернативного топлива природного газа, а также сжиженного пропан-бутанового газа. Природный газ существенно уменьшает выделение токсичных веществ, особенно продуктов неполного сгорания. В случае использования сжиженного газа максимальная концентрация NО х уменьшается примерно в 2 раза. Несколько понижается выброс окиси углерода и углеводородов. Существенно уменьшается также содержание бенз/а/пирена.

Основным преимуществом применения сжиженного пропан-бутанового газа перед природным является существенно меньшие масса и стоимость баллонов для хранения топлива на борту МЭС. Связано это с тем, что в большинстве случаев природный газ хранится в сжатом виде при давлении бар (20 МПа), а сжиженный пропан-бутановый – при давлении 16 бар (1, МПа). Возможно хранение природного газа на борту и в сжиженном виде.

необходимости содержания жидкого природного газа при очень низкой температуре (-172°С), оказывается высокой.

Проводятся работы по использованию водорода как альтернативного углеводородными топливами. Концентрационные пределы воспламеняемости водорода значительно шире, он хорошо смешивается с воздухом, для его воспламенения требуется малая энергия. В качестве окислителя для сжигания водорода в ДВС может применяться кислород или воздух 149, 249, 250.

состоянии, так как его хранение в жидком состоянии сопряжено с существенными техническими трудностями ввиду низкой температуры кипения (-252°С).

Следует также отметить, что применение водорода не увеличивает огнеи взрывоопасность МЭС и значительно улучшает условия работы смазочного масла, так как оно не загрязняется продуктами неполного сгорания.

Использование водорода как топлива в дизельных ДВС сдерживается его высокой температурой самовоспламенения.

Основными недостатками водорода как топлива для двигателей являются преждевременное воспламенение и «грубое» сгорание. Последнее объясняется высокой скоростью сгорания водородных смесей. Указанные недостатки могут быть в значительной степени устранены разбавлением водородно-воздушных смесей инертными компонентами (с этой целью добавляют воду, осуществляют рециркуляцию ОГ).

Основная проблема, которую необходимо решить для широкого использования водорода в двигателях МЭС, состоит в создании условий для хранения водорода (криогенные емкости, гидриды металлов (лантанникелевые и железоплатиновые) и т.д.). Также следует отметить, что стоимость производства водорода при всех известных технологиях все еще высока.

1.6.5. Впрыск воды и применение топливо-водяных эмульсий Эффективность добавления воды к воздуху или топливу для улучшения различных показателей изучается в течение многих лет 72. Применение воды способствует уменьшению выделения оксидов азота, снижение которых является наиболее трудной задачей.

Добавление воды к топливовоздушному заряду приводит к снижению максимальной температуры сгорания, что обусловлено затратами на испарение воды и нагрев ее паров (удельная теплоемкость водяного пара выше теплоемкости воздуха).

Впрыск воды может производиться как во впускной трубопровод, так и в цилиндр дизеля. В первом случае аппаратура для впрыска воды более проста и надежна. Для равномерного распределения воды по цилиндрам многоцилиндрового двигателя целесообразно устанавливать форсунки во впускных патрубках каждого цилиндра. Испарение воды начинается во впускном патрубке и заканчивается в цилиндре двигателя в процессе сжатия.

Пары воды с воздухом к концу процесса сжатия образуют гомогенную смесь.

Добавка воды к воздуху приводит к снижению его температуры, поэтому температуры конца сжатия и в процессе сгорания будут при впрыске воды ниже.

Другой способ подачи воды в цилиндр состоит в том, что вода добавляется к топливу, и образовавшаяся топливо-водяная эмульсия через топливную форсунку впрыскивается в цилиндр дизеля. Испарение воды снижает температуру в местах концентрации распыленного топлива, что вызывает значительное увеличение задержки воспламенения топлива.

По влиянию впрыска воды на выделение оксидов азота проведен ряд исследований 112. На рисунке 1.7 по результатам испытаний различных двигателей построены зависимости, показывающие влияние добавки воды к топливу и воздуху на выделение NО х. Кривые 1 и 2, полученные при испытании дизеля с неразделенной камерой сгорания 112, показывают, что впрыск воды во впускной трубопровод (кривая 2) больше влияет на концентрацию NО х, чем добавление воды к топливу (кривая 1). Эти кривые построены по результатам испытаний дизельного ДВС при опережении впрыска, оптимальным для процесса с впрыском воды. При испытании дизельного ДВС с опережением впрыска, оптимальным для процесса без добавления воды, переход на работу с топливо-водяной эмульсией приводил к резкому увеличению выделения NО х.

Рисунок 1.7 – Относительное уменьшение количества NО х, выделяемого дизельными двигателями, в зависимости от количества впрыскиваемой воды Дымность ОГ и содержание в них СО как при впрыске воды в воздух, так и при добавлении ее к топливу уменьшаются. Концентрация углеводородов в ОГ при этом несущественно возрастает 112. Это объясняется увеличением периода задержки воспламенения при обоих способах добавления воды.

Впрыск воды в воздух во впускном трубопроводе оказывает более сильное воздействие на концентрацию NО х 112.

При незначительном снижении срока службы деталей топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы удельный эффективный расход топлива, при работе на топливо-водяных эмульсиях существенно уменьшается 107. Уменьшение расхода топлива наблюдается при содержании в нем 7-15% воды и не превышает 4%.

1.6.6. Озонирование воздушного заряда на впуске В последнее время в машиностроении возрос интерес к устройствам, способным вырабатывать озон, при помощи которого обрабатывается топливовоздушная смесь, поступающая в камеру внутреннего сгорания двигателя [13, 14, 15, 240].

Смешение топлива с озонированным воздухом позволяет повысить полноту сгорания топлива, улучшить экономичность и снизить токсичность ОГ двигателя. Об этом говорится в трудах Моисеева Н.П., Подольского Б.А., Заславского Е.Г., Зайончковского В.Н., а также Ашуркова С.Г., Юшкова Д.Д. и др. [13, 14, 15, 240].

Достичь озонирования воздушной смеси можно различными способами.

Наиболее широкое применение нашли электрические средства, способные ионизировать воздушную смесь, а также устройства, обрабатывающие воздушный поток ультрафиолетовым излучением.

В основе первых, так называемых генераторов получения озона для ДВС, лежит ионизация воздушного заряда при помощи электрических разрядов [14, 15]. Обычно такие устройства (рисунок 1.8.) содержат корпус с воздушными входными и выходными патрубками и с помещенными в полости корпуса коронирующими и не коронирующими электродами. Они также снабжены источниками тока высокого напряжения с переменной скважностью и с возможностью регулирования частоты следования электрических импульсов для изменения степени озонирования воздушной смеси.

С М ЕС Ь СМ Е С Ь

В О З Д УШ Н А Я В О ЗД У Ш Н А Я

О З О Н И РО В А Н Н А Я

1 – корпус генератора; 2 – входной патрубок; 3 – выходной патрубок;

4 - коронирующий электрод; 5 – некоронирующий электрод; 6 – диэлектрик;

7 - источник постоянного тока высокого напряжения; 8 – источник переменного тока высокого напряжения; 9 – вертикальная шина; 10 – горизонтальная шина.

Рисунок 1.8 – Генератор получения озона для двигателей внутреннего сгорания Однако существенным недостатком генераторов получения озона излучением.

Сущность последних заключается в воздействии на воздушную смесь ультрафиолетового излучения, активизирующего молекулы кислорода. Это в свою очередь увеличивает полноту сгорания смеси, при более ровной волне горения. В связи с чем снижается токсичность ОГ последнего.

Такие устройства (рисунок 1.9, схема предоставлена Всесоюзным научноисследовательским, проектно-конструкторским и технологическим светотехническим институтом) обычно содержат воздухоочиститель, имеющий внутреннюю полость, сообщенную через выходное окно с входным каналом впускного патрубка и с отводным патрубком для картерных газов. Во ультрафиолетового излучения 13.

ВОЗДУХ

КАРТЕРНЫ Е

1 – корпус воздухоочистителя; 2 – фильтрующий элемент; 3 – карбюратор;

4 – внутренняя трубчатая кольцевая безэлектродная лампа; 5 – внешняя трубчатая кольцевая безэлектродная лампа; 6 – отводной патрубок картерных газов; 7 – диэлектрик; 8 – блок питания высокочастотного напряжения;

возбуждения; 11 – трубка золотникового устройства карбюратора Рисунок 1.9 – Устройство для обработки потока воздуха ультрафиолетовым излучением ультрафиолетовым излучением по сравнению с малоизученной обработкой паро-воздушной смеси не является недостатком данных устройств и способа в целом.

Рассматриваемые устройства работают автономно от ДВС. Они просты, не подвергаются большим электрическим и механическим износам и ими легко оборудовать двигатель. При их неисправности ДВС может продолжать работу в штатном режиме.

1.7. Постановка проблемы, цель работы и задачи научного сельскохозяйственных операций МЭС в сельскохозяйственных зданиях и механизированных работ происходит загрязнение воздушной среды в помещениях отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания. Это приводит к тому, что концентрация ОГ превышает их ПДК, отрицательно сказываясь на работоспособности обслуживающего персонала и качестве сельскохозяйственной продукции, подрывая, в конечном счете, их здоровье и увеличивая издержки производства.

Также следует отметить негативное влияние больших концентраций ВВ в воздушной среде помещений ограниченного объема и воздухообмена на ресурс работы технологического оборудования и срок службы строительных конструкций. Поэтому проблема поддержания оптимального микроклимата внутри сельскохозяйственных помещений является актуальной.

помещениях большинство энергетических средств оснащено дизельными ДВС.