Методические указания (стр. 2 из 7)

. (2)

Основы образования вредных веществ в ДВС

Для питания тепловозных двигателей используют топлива, основными составляющими которых являются углеводороды. Теоретически, при расчете по стехиометрии, в результате сгорания образуются нетоксичные водяной пар и углекислый газ. Однако в действительности, как уже отмечалось выше, в состав ОГ входит большое количество разнообразных веществ, большинство из которых токсично. По способу образования вредные вещества, обнаруживаемые в ОГ, можно разделить на три группы:

• продукты неполного сгорания (основные из них: оксид углерода, углеводороды, сажа);

• вещества, являющиеся продуктами побочных реакций, протекающих при высокой температуре (например, оксиды азота);

• вещества, содержащиеся в топливе и при работе выбрасываемые в окружающую среду (соединения серы).

Рассмотрим кратко механизмы образования основных токсичных компонентов ОГ двигателя.

Оксид углерода и углеводороды

Образование оксида углерода (СО) в дизелях может происходить в ходе холоднопламенных реакций, а также вследствие диссоциации диоксида углерода (СО₂), происходящей при высокой температуре. При нормальной эксплуатации дизелей концентрация СО в ОГ невелика – 0,1–0,2 %. Также в ОГ дизелей содержится незначительное (0,04–0,06 %) количество углеводородов (СН), которые представляют собой часть несгоревшего топлива.

Сажа

Образование сажи в камере сгорания дизеля представляет собой объемный процесс термического разложения (пиролиза) углеводородов топлива в условиях большого недостатка кислорода. В зоне пламени состав смеси близок к стехиометрическому, причем локально, в зоне впрыскиваемой топливной струи, смесь может быть богатой, вплоть до случая, когда коэффициент избытка воздуха равен нулю (чистые пары топлива). Наиболее общая схема образования сажи включает гидрогенизацию, дегидрогенизацию, крекинг, полимеризацию, конденсацию. Выделение сажи в процессе сгорания может быть разделено на три основные фазы: образование зародышей, рост зародышей в частицы сажи, коагуляция первичных сажевых частиц. Сажа является основой, так называемых твердых частиц (ТЧ), в состав которых входят также адсорбированные на поверхности сажи тяжелые углеводороды, зольные частицы, некоторые продукты износа и т.п.

Образовавшиеся в начале процесса сгорания частицы углерода могут выгорать в процессе расширения. Таким образом, содержание сажи в ОГ двигателя является результатом процессов ее образования и выгорания в цилиндре. Количество образовавшейся сажи зависит от многих факторов, основными из которых являются концентрация окислителя, температура и давление в цилиндре, вид топлива, характеристики смесеобразования. Концентрационный предел начала образования сажи по коэффициенту избытка воздуха составляет 0,33-0,7 для гомогенных смесей. С ростом температуры в зоне пиролиза количество образовавшейся сажи резко увеличивается. Подобным образом влияет и увеличение давления. На образование сажи также влияет состав топлива: его молекулярный вес и отношение количества углерода к количеству водорода.

Оксиды азота

В процессе сгорания топлива оксиды азота (практически только NO) образуются в результате окисления азота кислородом воздуха. В реакции образования NO может участвовать как азот, содержащийся в топливе, так и азот атмосферного воздуха. Топливный азот легче вступает в реакцию окисления, чем атмосферный. Однако в дизельных топливах для тепловозных дизелей, как правило, азот практически не содержится. Образование оксида азота из атмосферного азота и кислорода в процессе сгорания протекает согласно термической теории, которую разработал Я.Б. Зельдович. Основные положения этой теории:

1. Окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания.

2. Выход оксида азота определяется максимальной температурой горения, концентрациями азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива, участвующего в сгорании (при отсутствии в топливе азота).

3. Окисление азота происходит по цепному механизму:

N₂ + O = NO + N – 316 кДж/моль;

N + O₂ = NO + O + 136 кДж/моль.

Определяющей является первая реакция, скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода.

4. Выход оксидов азота зависит от скорости охлаждения продуктов сгорания.

5. В бедных смесях (при малой подвижности реакции) выход NO определяется максимальной температурой сгорания, т.е. кинетикой его образования. В богатых смесях выход NO определяется кинетикой разложения, то есть "закалкой" образовавшегося оксида азота.

Установлено, что "закалка" происходит на уровне, близком к максимальной концентрации, в процессе расширения и выпуска концентрация NO не изменяется. Выход NO из двигателя главным образом зависит от температуры и концентрации кислорода в продуктах сгорания.

Оксиды серы

Оксиды серы относятся к веществам, образующимся из входящих в топливо примесей. Сернистые соединения входят в состав нефтяных топлив. В дизельных топливах, применяемых для тепловозов, массовое содержание серы не должно превышать 0,2% для малосернистых и 0,5% для сернистых топлив (по ГОСТ 305-82). В процессе сгорания сера окисляется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом, выброс оксидов серы зависит от ее содержания в топливе и расхода топлива. Удельный выброс оксидов серы в пересчете на SO₂ может быть вычислен, г/кг топлива:

e`_SOx = 20·S, (3)

где S – массовое содержание серы в топливе, %.

2. ВЫБРОСЫ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ И САЖИ ТЕПЛОВОЗНЫМИ ДИЗЕЛЯМИ. НОРМИРОВАНИЕ ВЫБРОСОВ И ДЫМНОСТИ

Уровень вредных выбросов и дымности тепловозных дизелей оценивается различными показателями. Согласно действующим ГОСТам уровень вредных выбросов измеряется в г/кВтч или г/кг топлива, а уровень дымности нормируется по значению натурального показателя ослабления светового потока К, 1/м или по дымности ОГ N, %.

Уровни выбросов вредных веществ и сажи нормируются по режимам работы дизеля, однако более полной является оценка по цикловым показателям. Испытательные циклы при этом выбирают максимально приближенными к условиям реальной эксплуатации тепловозного дизеля.

Определение цикловых показателей

Для тепловозных дизелей выбран четырехступенчатый испытательный цикл, первый режим которого является холостым ходом, второй и третий режимы частичных нагрузок, четвертый - номинальной мощности. Номинальные показатели некоторых тепловозных дизелей приведены в табл. 2. Схема испытательного цикла приведена на рис. 1, а его характеристика в табл. 3.

Таблица 2

Номинальные показатели тепловозных дизелей

Тепловоз	Тип дизеля	Обозначение	Номинальные показатели
			Neн, кВт	nн, об/мин	geн, кг/кВтч	Рен, МПа
ТЭ127	251Д	12ЧН21/21	1756	1500	0,211	1,61
ТЭМ2	ПД1М	6ЧН31,8/33	880	750	0,214	0,96
ТЭМ2М	3А-6Д49	8ЧН26/26	882	1000	0,224	0,9
ТЭМ7	2-2Д49	12ЧН26/26	1670	1000	0,204	1,21
2ТЭ116	1А-5Д49	16ЧН26/26	2200	1000	0,211	1,205
2ТЭ121	2В-5Д49	16ЧН26/26	2940	1000	0,211	1,6
М62	14Д40	12ДН23/30	1470	750	0,218	0,795
2ТЭ10В	10Д100	10ДН20,7/2х25,4	2200	850	0,228	0,91

Рис. 1. График, характеризующий относительное время работы тепловозного дизеля (F) на различных нагрузочных режимах (N_e/N_eн) испытательного цикла

Таблица 3

Характеристика испытательного цикла

Параметры испытательного цикла			Эксплуатационные характеристики
№ реж.	Ne/Neн	F
1	0,05	0,6	Тепловозная Промежуточная частота вращения выбирается для соответствующего значения мощности
2	0,50	0,1
3	0,75	0,1
4	1,00	0,2
Средняя эффективная мощность за цикл – 0,355Neн

Расчет цикловых показателей выбросов для каждого токсичного компонента отработавших газов производится по формуле, г/кВтч

, (4)

где е_i^k – удельный выброс вредного компонента на режиме, г/кВтч;