Определение и обеспечение целесообразного уровня температуры отработавших газов на входе в каталитический нейтрализатор для повышения эффективности его работы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО УРОВНЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ НА ВХОДЕ В КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО РАБОТЫ

Кукис В.С.

Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет),

Челябинск, профессор

Омельченко Е.А.

Омский автобронетанковый инженерный институт, Омск, старший

преподаватель

THE DEFINITION AND PROVISION OF A SUITABLE LEVEL OF EX-HAUST GAS TEMPERATURE AT THE ENTRANCE TO CATALYTIC CONVERTER TO INCREASE ITS PERFORMANCE

Kukis VS, Federal state budgetary educational institution of higher professional education «South Ural state University» (national research University), Chelyabinsk, Professor

Omelchenko E.A., Omsk tank-automotive engineering Institut, Omsk, Senior Lecture

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена методика определения целесообразного уровня температуры отработавших газов поршневых двигателей внутреннего сгорания на входе в каталитический нейтрализатор, при которой обеспечивается эффективная работа нейтрализатора на различных режимах двигателя в процессе его эксплуатации. Показано, что обеспечить ее можно с помощью вихревой трубы, основным назначением которой является снижение температуры рециркулируемых газов в двигателях с рециркуляцией отработавших газов. На примере дизеля с наддувом иллюстрируются реализация предложенной методики и результаты обеспечения определенной по этой методике целесообразной температуры отработавших газов перед каталитическим нейтрализатором, подтверждающие получение положительного эффекта в плане снижения вредных выбросов.

ABSTRACT

The article describes the method of determining the appropriate temperature level of exhaust gases of reciprocating internal combustion engines at the entrance to the catalytic Converter, which provides efficient operation of the Converter for different modes of the engine during its operation. It is shown that to provide it by using a vortex tube, the main purpose of which is to reduce the temperature of the recycled gases in engines with exhaust gas recirculation. On the example of a diesel engine with supercharging illustrates the implementation of the proposed method and provide some results by this method appropriate exhaust gas temperature before the catalytic Converter, confirming a positive effect in reducing harmful emissions.

Ключевые слова: дизель, отработавшие газы, каталитический нейтрализатор.

Keywords: diesel, exhaust gases, catalytic Converter.

Наиболее широкое применение в качестве силовых установок транс-портных средств нашли двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и среди них, прежде всего, поршневые и комбинированные двигатели. Однако эксплуатация этих двигателей связана с целым рядом проблем, из которых одной из серьезнейших является выброс в окружающую среду (ОС) большого количества вредных веществ.

Среди различных мероприятий по снижению количества вредных выбросов (качественное изменение рабочих процессов в поршневых ДВС и систем их регулирования; использование альтернативных топлив и присадок к ним; рециркуляция отработавших газов (ОГ); установка нейтрализаторов) можно выделить каталитическую нейтрализацию продуктов сгорания, организация которой не требует «вмешательства» в конструкцию двигателя. Каталитические нейтрализаторы (КН) незначительно снижают мощность двигателя из-за создаваемого ими противодавления на выпуске, однако позволяют существенно уменьшить шум-ность, дымность и токсичность ОГ.

Существенным недостатком КН является то, что для эффективного протекания процессов нейтрализации вредных компонентов, необходима сравнительно высокая температура протекания химических реакций (более 250 0С). На режимах же малых нагрузок и холостого хода работы поршневых ДВС ОГ имеют меньшую температуру. Неблагоприятны для работы КН и высокие температуры ОГ (что

характерно для эксплуатации поршневых ДВС на больших нагрузках), так как при этом может происходить прогар корпуса нейтрализатора.

Названные проблемы могут быть частично решены в поршневых ДВС с рециркуляцией ОГ в случае использования для охлаждения рецирку-лируемых газов (РГ) вихревой трубы (ВТ) [1].

Цель настоящей статьи - представить результаты экспериментальной оценки использования ВТ для повышения эффективности работы КН на дизеле 4ЧН13/15 с системой рециркуляции ОГ. Схема системы рециркуляции и нейтрализации ОГ приведена на рис. 1.

Вещества, попадающие в атмосферу, отличаются по токсичности, ха-рактеризуемой предельно допустимой концентрацией (ПДК), коэффициентом агрессивности, который определяет токсикологическую значимость того или иного компонента на основании предельно допустимых его концентраций и индексом токсичности, который показывает, во сколько раз данный компонент более активен, чем вещество, принятое за стандарт. Для ОГ поршневых ДВС за единицу агрессивности (активности), определяющий токсилогиче-скую значимость отдельных вредных компонентов на основании предельно допустимых их концентраций в ОГ и во втором и в третьем случаях принята агрессивность (активность) оксида углерода. По данным [2] индекс токсичности твердых частиц в два раза выше, чем оксидов азота, в 10

раз - чем углеводородов и в 20 раз - чем оксида углерода, а ности углеводородов и оксида углерода (1,26 и 1,0 соответ-коэффициенты агрессивности оксидов азота (49) и твердых ственно). частиц (41,5) намного превосходят коэффициенты агрессив-

4 5

Охлажденные рециркулируемые газы 9 ш

6 7

В

атмосферу

Подогретые отработавшие газы из вихревой трубы газы

Отрабо тавшие газы

Воздух из атмосферы 11 12

13

16

17

18

Рис. 1. Схема системы рециркуляции и нейтрализации отработавших газов:

1 - дизель; 2 - газовая турбина; 3, 8, 11, 17 - точки замера температуры; 4 - каталитический нейтрализатор, 5, 12, 18 точки замера давления; 6 - патрубок подвода отработавших газов к вихревой трубе; 7 - вихревая труба; 9 - заслонка, регулирующая объём рециркулируемого газа; 10 - расходо-мер; 13 - смеситель газов; 15 - компрессор, 16 - охладитель наддувочного воздуха

Оценку влияния температуры ОГ на эффективность работы КН и определение ее целесообразного уровня перед их попаданием в КН проводили следующим образом.

Для каждого вредного компонента экспериментально определяли ин-дивидуальные степени превращения вредных компонентов при различных режимах работы дизеля:

С С н Сн АС =-±-= 1 —= 1 - АС .

н С. С. н

1 1 ; (1) где С. и Сн - концентрации 1-го вредного компонента в ОГ двигателя перед и после КН.

Затем складывали произведения коэффициентов агрессивности на степени превращения соответствующих вредных компонентов на каждом режиме работы дизеля и стро-

Z

А,АСн_ = AT,)

или график

По характеру кривой делали вывод о значении температуры ОГ, позволяющей обеспечить наиболее эффективную работу КН на рассматриваемом режиме работы двигателя.

Совместный анализ указанных кривых на всех исследованных режимах позволил сделать вывод о целесообразном значении температуры ОГ на входе в КН.

Определение целесообразного уровня температуры ОГ на входе в КН производилось для режимов, соответствующих работе дизеля 4ЧН13/15 по внешней скоростной характеристике (табл. 1).

На рис. 2, в качестве примера, показано изменение степеней превра-щения токсичных компонентов ОГ при их прохождении через КН на режимах, соответствующих частотам вращения коленчатого вала дизеля п = 850, 1350 и 1850 мин-1.

Таблица 1

Характеристика режимов, использованных для определения целесообразного уровня температуры отработавших газов

на входе в каталитический нейтрализатор

Частота вращения коленчатого вала, мин-1 Температура в нейтрализаторе (процессов нейтрализации), Т, К

850 300, 400, 500, 600, 700, 800, 880

1100 300, 400, 500, 600, 700, 800, 880

1350 300, 400, 500, 600, 700, 800, 880

1600 300, 400, 500, 600, 700, 800, 880

1850 300, 400, 500, 600, 700, 800, 880

а 300 400 500 600 700 800 Т, К б Рис. 2. Изменение степеней превращения вредных веществ в выбросах дизеля 4ЧН13/15 в зависимости от температуры отработавших газов

Анализ характера полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы.

С повышением частоты вращения коленчатого вала и соответствующего увеличения расходов воздуха и топлива (а, следовательно, и ОГ, проходящих через КН) степени превращения ВВ снижаются. Так, максимальное значение степени превращения оксидов азота при изменении частоты вращения коленчатого вала с 850 до 1850 мин-1 снизилось на 27,4 %, углеводородов - на 49,4 %, оксида углерода - на 32,6 % и твердых частиц - на 37,5 %. Причина указанных изменений обусловлена уменьшением времени нахождения ОГ в КН (т.е. времени контакта ВВ с катализатором).

Рис. 2 свидетельствует некоторых общих закономерностях изменения степеней превращения каждого отдельного компонента при любых рас-ходах отработавших газов. Так, эффективность нейтрализации оксидов азота интенсивно нарастает с увеличением температуры до 500-550 К, после чего плавно снижается.

Имеет максимум при температуре 600-700 К и кривая степени превращения углеводородов. Эффективность нейтрализации оксида углерода непрерывно повышается с ростом температуры с зоне реакции доокисления, хотя при более высоких значениях температуры интенсив-ность этого роста замедляется. Степень превращения твердых частиц, наоборот, имеет четкую тенденцию к росту с повышением температуры.

Для определения целесообразного уровня температуры ОГ на входе в КН, как отмечалось ранее, были просуммированы произведения коэффициентов агрессивности на степени превращения соответствующих вредных компонентов на каждом режиме работы дизеля. Результаты изменения этих сумм, представленные на рис. 3, позволяют сделать следующие выводы. До температуры в зоне реакций нейтрализации, равной 500 К, имеет место весьма интенсивное повышение интегральной эффективности процессов (усредненное повышение значения суммарных степеней превращения исследованных ВВ составляет примерно 70 % на каждые 100 К). В диапазоне температур 500-700 К повышение интегральной эффективности процессов нейтрализации заметно снижается и составляет примерно 11 % на каждые 100 К. После температуры, равной 700 К, повышение интегральной эффективности нейтрализации практически прекращается. Полученные выводы свидетельствуют о том, что целесообразным уровнем температуры ОГ дизеля 4ЧН13/15 на входе в КН является диапазон 700-800 К, так как меньшие температуры будут снижать эффективность процессов нейтрализации, а более высокие могут вести к перегреву реактора и корпуса КН.

На рис. 4 показана температура ОГ перед КН при работе двигателя на режимах, соответствующих ГОСТ Р 41.962011.

Рис. 3. Суммарное изменение степеней превращения токсичных

компонентов в выбросах дизеля 4ЧН13/15 в зависимости от температуры отработавших газов: 1 - п = 850 мин-1; 2 -п = 1100 мин-1; 3 - п = 1350 мин-1; 4 - п = 1600 мин-1; 5 - п = 1850 мин-1

t,°C

600 500 400 300

200

100 0

Режимы по ГОСТ Р 41.96-2011 - зона целесообразной температуры отработавших газов перед КН | | - без регулирования температуры отработавших газов перед КН | | - с регулированием температуры отработавших газов перед КН

Рис. 4. Температура отработавших газов перед каталитическим нейтрализаторои

В табл. 2 показано какое влияние оказало регулирование темпера-туры ОГ перед КН на индивидуальные и интегральные степени превращения токсичных компонентов при работе дизеля 4ЧН13/15 на режимах, соответствующих ГОСТ Р 41.96-2011.

Материалы таблицы показывает, что регулирование температуры ОГ перед КН с помощью ВТ обеспечило повыше-

ние интегральных степеней превращения токсичных компонентов на различных скоростных и нагрузочных режимах 50 и менее процентов и холостом ходу (т.е. там, где нейтрализатор в обычных условиях работает крайне неэффективно) от 47 до 114 %

Таблица 2

Влияние регулирования температуры отработавших газов перед каталитическим нейтрализатором с помощью вихревой трубы на индивидуальные и интегральные степени превращения токсичных компонентов, %

Режим ACco ACch ACnox ACpm Chi

n = 1850 мин-1 нагрузка 100 % +0,91 -0,25 -0,89 +6,1 +5,87

нагрузка 75 % +3,77 -1,27 -1,17 +31,54 +35,99

нагрузка 50 % +6,89 +0,26 -1,65 +41,67 +47,17

нагрузка 10 % +16,14 +13,85 -0,49 +48,57 +78,07

n = 1250 мин-1 нагрузка 100 % +0,01 -0,04 -0,1 +0,01 -0,03

нагрузка 75 % +0,02 +0,01 0,0 0,0 +0,03

нагрузка 50 % +2,14 +3,13 -2,05 +39,73 +42,59

холостой ход +37,36 +23,23 +10,45 +43,39 +114,43

Выводы: регулирование температуры ОГ перед КН с помощью ВТ обеспечило повышение интегральных степеней превращения токсичных компонентов на различных скоростных и нагрузочных режимах 50 и менее процентов

и холостом ходу (т.е. там, где нейтрализатор в обычных условиях работает крайне неэффективно) от 47 до 114 %. Это свидетельствует о том, что использование ВТ в системе выпуска поршневых двигателей с рециркуляцией ОГ является

целесообразным решением задачи повышения эффективности работы КН при их работе на различных режимах.

Литература

1. Кукис В.С. Влияние рециркуляции и нейтрализации отработавших газов на экологические показатели дизеля / В.С. Кукис, Е.А. Омельченко // Materials of IX international research and practice conference «Fundamental and applied science» (October 30-Movember 7, 2014.V. 18. Technical science). Sheffield UK, 2014. - P.26-30.

2. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 30.05.2003 № 114 (ред. от 03.11.2005) «О

введении в действие ГН 2.1.6.1338-03» (вместе с «Гигиеническими нормативами «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. ГН 2.1.6.1338-03», утв. Главным государ-ствен-ным санитарным врачом РФ 21.05.2003) (Зарегистрировано в Минюсте РФ 11.06.2003 № 4679).

3. Мельберт А.А. Основные направления снижения дым-ности и ток-сичности отработавших газов дизелей / А.А. Мельберт, Н.Д. Новоселова, А.А. Унгефук, Т.А. Стопорова // Дымность дизелей: Сб. статей. Барнаул, 2005. - С. 4-9.

MATHEMATICAL REGULARITIES OF DESIGN OF AZERBAIJANI CARPET

PATTERNS

Kazim-zada A.K.

Azerbaijan University of Architecture and Construction, "Information technology and systems" Department Ph.D

ABSTRACT

The paper treats information signs of identification of hand-made carpets and carpet patterns demonstrating the presence of "golden section" rule, Fibonacci and Lucas numbers, symmetry. The researches were performed using "visual centres", golden triangles, rectangles, lozenges as well as variants of composition meshes based on them. These parameters are regarded as criteria for correctness of the making of a carpet pattern, arrangement of the patterns and as indicators during identification of the carpet patterns too.

Keywords: carpet, Fibonacci numbers, golden section, visual centres

1. Introduction

A number of teachings on harmony appeared in ancient Greece of classical epoch the most profound trace in the world culture has been left by Pythagorean teaching of all these. The Pythagoreans sought for mathematical substantiation of beauty. They studies human body proportions and established a mathematical canon of beauty in accordance with which Polyclet, the Greek sculptor, made his statue "Canon". The influence of Pythagorean teaching on proportions was felt not only by medieval scientists but also by art and science of the Renaissance epoch. Leonardo da Vinci wrote about the use of proportion in art in his treatise on paintings. "A painter embodies in the form of proportion the same regularities concealed in nature which a scientist learns in the form of numerical law".

Patterns in the ancient hand-made Azerbaijani carpets kept in many museums of the world represent geometrical and curvilinear figures. The patterns symmetrically arranged both in vertical and horizontal import harmony, balance and peace to the design of the carpets. Azerbaijani carpets are included in the UNESCO list of Non-Material Cultural Heritage.

2. Statement of the problem

The essence of the "golden section" is as follows: if there exists a point B on a straight line segment of arbitrary length AC which divides the said segment into unequal parts at which all the segment AC is to greater part BC as the greater part BC itself is to the smaller part AB (fig.1) [1, c.25]. The ratio of these segments (denoted by F) is always equal F=1,618034... The quantity 1/F is denoted by j and equals to 0,618034...

AC BC ^

-= — = o

BC AB

A B C

Fig. 1. Division of straight line segment by the "golden section"

Golden figures -golden triangle, rectangle, lozenge, pentagon, the golden Archimedean spiral constructed on the "golden section" principle are of common knowledge.

The presence of the "golden section" in the works of art cannot be considered separately, without relation to symmetry. It is precisely the presence of these two notions that imparts balance, harmony, emotional perception and effect to the works of art.

The study of hand-made Azerbaijani carpets and carpet patterns is of great interest from this viewpoint.

3. Solution

Carpet patterns represent colours planar patterns. They display: human figures, animals, birds, plants, objects of everyday life, geometrical shapes etc. They can be both symmetrical and asymmetrical. It is also widely known that the majority of patterns of Azerbaijani carpets are geometrical figures [2].

Some informative features have been revealed for patterns and ornaments of Azerbaijani carpets among which the name of pattern, its geometrical dimensions, number of contours, colour gamut, centre of gravity, area, conformity of pattern to the "golden section" rule and symmetry [3, c.290].

The combination of distribution density of a certain pattern with its centre of gravity, area of surface, the presence of the "golden section" and symmetry are the required information parameters for subsequent comparison to other patterns [4, c.153].

According to the type of symmetry, images of carpets and their patterns can be divided into three classes: asymmetrical, symmetrical along OX-axis and symmetrical both along OX-