Методические указания (стр. 4 из 7)
Рис. 2. Предельно допустимые значения выделения вредных веществ с отработавшими газами тепловозов:
ГОСТ 34383-81 
Проект стандарта СЭВ 
Рис .3. Предельно допустимые значения параметров дымности отработавших газов тепловозных дизелей:
VH – условный расход отработавших газов
3. РАСЧЕТ УЩЕРБА ОТ ВЫБРОСА ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ
Ущерб от выброса вредных веществ в атмосферу от отдельного источника находится по формуле, грн/год:
У = γ·σ·f·M, (10)
где γ = 14,4 грн/т – размерная константа, переводящая условную оценку выброса в денежную, в ценах 2000 г.;
σ – показатель опасности загрязнения атмосферы над различными территориями (табл. 10);
f – поправка, учитывающая характер рассеяния примесей в атмосфере, для тепловозов f = 10;
M – приведенная годовая масса выброса от источника, усл. т/год.
Таблица 10
Показатель загрязнения для различных территорий
| № | Тип загрязняемой территории | σ |
| 1 | Курорты, санатории, заповедники (их территории) | 8 |
| 2 | Жилые районы с высотной застройкой (9 и более этажей) | 6 |
| 3 | Жилые районы городов с преимущественно высотной застройкой, включая улицы, магистрали, парки | 4 |
| 4 | То же с 5-этажной застройкой | 3 |
| 5 | То же с 2-этажной застройкой | 1,5 |
| 6 | Плотная одноэтажная застройка (поселки, пригородные зоны) | 1 |
| 7 | Сельская территория | 0,8 |
Приведенная годовая масса выбросов определяется по формуле, усл.т/год:
, (11)где Ai – показатель относительной агрессивности i-го компонента, усл.т/т (см. табл. 1);
n – количество вредных компонентов в ОГ;
mi – выброс i-го компонента, т/год.
Расчет годового выброса для каждого токсичного компонента производится по формуле, т/год:
mi = e'iц·Gт год /1000. (12)
где Gт год – годовой расход топлива тепловозом, т/год.
Удельные выбросы токсичных компонентов e'i ц (г/кг топл.) различными дизелями при наличии информации в табл. 4 и 5 рассчитываются по формуле:
, (13)где ge ц – удельный эффективный расход топлива за испытательный цикл, г/кВтч; ge ц = 3600/(ηе ц·Hu);
Hu – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг.
В случае, если информация о токсичности и дымности тепловоза в табл. 4 и 5 не представлена, удельные выбросы токсичных компонентов рассчитывают по формулам (5), (6) и (7). Пример расчета ущерба от выброса вредных веществ представлен в прил. 1.
4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ УРОВНЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
Методы снижения токсичности можно разделить на три направления:
• воздействие на рабочий процесс;
• нейтрализация отработавших газов;
• применение присадок и альтернативных топлив.
Ниже приведена краткая характеристика наиболее эффективных методов снижения уровня выбросов.
Уменьшение угла опережения впрыска топлива
Снижение выброса NOx до 50% может быть получено за счет уменьшения опережения впрыска, хотя при этом несколько увеличиваются выбросы СО, СН и сажи, а также удельный расход топлива. Наиболее эффективно уменьшение угла на первые 4-6 град. от оптимального по расходу топлива. Из-за более позднего начала сгорания увеличивается энергия ОГ, что приводит к увеличению температуры выпускного клапана и его седла. Этот способ наиболее простой для реализации.
Рециркуляция отработавших газов
Для уменьшения выделения оксидов азота возможно применение рециркуляции части отработавших газов на впуск дизеля, при этом уменьшается максимальная температура цикла. Уменьшение температуры происходит главным образом, из-за большей удельной теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с воздухом. Кроме того наличие продуктов сгорания оказывает влияние на процесс сгорания в цилиндре. Уменьшение температуры влияет также на концентрацию атомарного кислорода, что, в свою очередь, снижает скорость реакции образования NO. Применение рециркуляции вызывает существенное увеличение дымности, а также содержания продуктов неполного сгорания в отработавших газах. На эффективность рециркуляции влияют: режим работы двигателя, количество перепускаемого газа и его температура, угол опережения впрыска топлива, способ смесеобразования и др. Использование рециркуляции наиболее эффективно на режимах холостого хода, малых и средних нагрузок. На номинальном режиме резко возрастает дымность отработавших газов и расход топлива. Для тепловозных дизелей, которые наибольшее количество оксидов азота выбрасывают на режимах 30-50% номинальной нагрузки, рециркуляцию целесообразно применять при нагрузке до 50% от номинальной.
Регулирование температуры воздуха во впускном коллекторе
Снижение температуры воздуха во впускном коллекторе приводит к уменьшению выброса NOx. При этом снижается расход топлива и температура газа в цикле. Снижение температуры с 55 до 40 С вызывает уменьшение удельного расхода топлива на 1,5 %; выброса СН на 4 %; выброса СО на 9 %; выброса NOx на 15 % (для тепловозного дизеля). Реализация этого способа связана со значительным увеличением размеров холодильной камеры тепловоза, и, соответственно, увеличением затрат на вспомогательные нужды.
Впрыск воды и водотопливные эмульсии
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). Присадку воды к воздуху можно осуществить впрыском как во впускной трубопровод, так и в цилиндр. При впрыске воды во впускной трубопровод происходит также повышение коэффициента наполнения за счет снижения температуры воздуха. Преимуществом добавки воды является то, что при снижении выбросов оксидов азота в 2 раза мощность и экономичность дизеля практически не изменяются. Однако добавка воды приводит к увеличению концентрации несгоревших углеводородов и сокращению срока службы цилиндро-поршневой группы. Кроме того для реализации этого способа необходимо создание специальной системы подачи и дозирования воды, причем должна подаваться только дистиллированная вода.
Вода может быть добавлена к топливу с образованием водо-топливных эмульсий. При работе на эмульсиях несколько (на 4…7 %) уменьшается расход топлива. Капли эмульгированного топлива, впрыснутого в цилиндр, состоят из частиц топлива, внутри которого содержится большое количество хаотически движущихся включений воды. Размеры этих включений колеблются от 1 до 3 мкм и практически не зависят от условий распыливания. При нагреве частиц воды и превращении их в пар такие включения "взрываются", подвергая окружающие их частицы топлива дополнительному дроблению, что ускоряет и улучшает процесс смесеобразования. Наиболее применимая присадка воды к дизтопливу составляет 15…17 %. Замечено положительное влияние присадки воды на снижение сажеобразования. Недостатками данного метода являются увеличение износа деталей топливной аппаратуры, а также свойство эмульсий расслаиваться с течением времени, особенно при высоких температурах.
Обогащение воздуха на входе жидким и парообразным топливом
Осуществляется подачей части топлива во впускной трубопровод путем распыливания или подачей заранее испаренного топлива. Такая раздельная подача способствует гомогенизации смеси и более полному ее сгоранию. Недостатком способа является необходимость оборудования дизеля специальной системой подачи топлива и сложность регулирования его подачи (с учетом подачи основного топлива через форсунку).
Каталитическая нейтрализация
В системе выпуска отработавших газов происходят реакции окисления оксида углерода и углеводородов с избыточным кислородом. Эти процессы проходят при относительно низкой температуре и протекают с малой скоростью. Для ускорения протекания реакции применяются катализаторы. Нейтрализаторы дизелей имеют большие габаритные размеры, чтобы уменьшить их противодавление выпуску отработавших газов. Температура, которую необходимо поддерживать в реакторе, должна быть выше 200...250 С. На катализаторе происходит процесс полного окисления СО, СН и альдегидов, также происходит самоочистка катализатора от смолистых отложений и сажи. Основной недостаток дизельных каталитических нейтрализаторов заключается в их неэффективности по отношению к оксидам азота. Один из путей устранения этого недостатка – избирательное восстановление оксидов азота аммиаком на меднохромоокисных катализаторах. Эффективность их нейтрализации достигает 80 % при температуре 350…400 С. Недостатки этого способа – влияние температуры отработавших газов на эффективность нейтрализации и необходимость применения аммиака, который сам по себе является токсичным веществом, а также необходимость дозирования его подачи.