Дымность отработавших газов

 

 

Оглавление

 

 

 

Введение

 

Проводимая в стране программа широкой дизелизации подвижного состава ставит более остро вопросы защиты атмосферы от загрязнения токсичными ингредиентами отработавших газов дизелей. 

В настоящее время считается общепризнанным то, что показатель дымности отработавших газов дизельных двигателей является важным параметром для оценки технического состояния дизеля и исправности его работы.

При сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется около 80-100 г токсичных компонентов (20-30 г окиси углерода, 20-40 г окислов азота, 4-10 г углеводородов, 10-30 г окислов серы, 0,8-1,0 г альдегидов, 3-5 г сажи и др.). 

Как известно, особую группу токсичных компонентов отработавших газов дизельных двигателей составляют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе и наиболее активный из них бенз(а)пирен (С20Н12), являющийся индикатором присутствия канцерогенов в отработавших газах. Значительное количество тяжелых, канцерогенных ароматических углеводородов адсорбируется на саже. Известно, что концентрация бенз(а)пирена в дисперсных частицах, т. е. на сажевых частицах, в 3-4 раза выше, чем в потоке газа. 

При работе дизельного двигателя в атмосферу выбрасывается в среднем около 3-5 кг сажи на 1 т сгоревшего топлива. При этом в зависимости от режима работы двигателя на долю сажи приходится от 30 до 90 % токсичного воздействия, обусловленного наличием в ней бенз(а)пирена [3]. 

В связи с этим важно иметь возможность простого и достаточно точного периодического измерения дымности отработавших газов дизелей. 

1. Нормы выхлопов дизельных двигателей.

 

В настоящее время разрабатываются и успешно претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автотракторных двигателей, включающие в себя:

– внедрение государственных и отраслевых стандартов, регламентирующих допустимые уровни выбросов вредных веществ автотракторными двигателями (см. таблицу);

– изыскание новых видов топлив и присадок к ним, позволяющих заменить жидкие топлива нефтяного происхождения, повысить топливную экономичность двигателей и значительно снизить их токсичность;

– разработку и производство антитоксичных устройств, способствующих снижению токсичности существующих типов двигателей, создание двигателей с малотоксичным рабочим процессом (рис. 1);

– серийный выпуск средств контроля токсичности и дымности отработавших газов. В таблице представлены максимально допустимые значения выбросов сажи, действующие в странах Европы, при использовании систем, имеющихся на сегодняшний день. Как известно, показатели токсичности отечественных двигателей не соответствуют этим нормам. [4]

В большинстве стран мира, в том числе и в РФ, в качестве единственного регламентируемого токсичного компонента отработавших газов дизельного двигателя нормируется дымность отработавших газов как показатель интенсивности сажевых выбросов дизеля.

В соответствии с ГОСТ 17.2.2.02-98 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы определения дымности отработавших газов тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин» под дымностью понимают показатель, характеризующий степень поглощения светового потока, просвечивающего имеющий определенную длину столб отработавших газов.

K – показатель ослабления светового  потока по основной шкале, м –1. Технический норматив дымности отработавших газов, измеренной оптическим методом, равный величине, обратной толщине слоя отработавших газов, проходя через который световой поток от источника света дымомера ослабляется в e раз, где e – основание натурального логарифма [2].

На рис. 1 представлены основные способы снижения вредных выбросов в отработавших газах двигателей.

 

Установлено, что отключение части цилиндров двигателя приводит к снижению расхода топлива, при этом предположительно снижается и дымность отработавших газов.

 

 

 

 

2. Методы измерения выхлопов  дизельных двигателей

 

2.1. Общие положения

 

2.1.1. Дымность отработавших газов измеряют у дизелей, прошедших предварительные, приемочные и периодические испытания.

2.1.2. Дымность отработавших газов измеряют на режимах внешней скоростной характеристики от максимальной частоты вращения до большей из двух: 0,45 nmах или 16,7 с-1, при этом дымность измеряют не менее шести раз через равные интервалы частот вращения, включая режим максимального крутящего момента, и свободного ускорения.

2.1.3. Для  дизелей, имеющих отключаемый наддув  или перепускной клапан, дымность отработавших газов должна измеряться при включенном и выключенном агрегате наддува и перепускном клапане в объеме, указанном в п. 2.1.2. В качестве оценочного показателя принимают большее из двух измеренных значений. [1]

2.2. Условия измерений

 

2.2.1. Дизели, предназначенные для испытаний, должны находиться в полной  исправности и испытываться в  комплектности, установленной соответствующими  стандартами и техническими условиями, и при соблюдении требований, установленных ГОСТ 14846-81.

2.2.2. Измерения  проводят на дизельном топливе  марки Л по ГОСТ 305-82, плотностью при 20 °С 820 - 830 кг/м3.

Допускается применять топлива, указанные в технических условиях на дизели. При необходимости контрольную проверку проводят на топливе марки Л.

2.2.3. Конструкцией  выпускной системы стенда и  трубопроводами пробоотборной системы должны обеспечиваться отсутствие утечек газов и подсос воздуха, приводящие к изменению дымности отработавших газов.

2.2.4. Зонд  газоотборника должен представлять собой трубку с открытым концом, расположенным в центре по оси выпускной трубы и обращенным навстречу потоку отработавших газов. У V-образных дизелей отбор проб проводят из общего выпускного трубопровода, а при невозможности объединения трубопроводов - из одного ряда цилиндров.

2.2.5. Зонд  газоотборника должен располагаться в прямолинейном участке выпускной трубы испытательного стенда постоянного диаметра D на расстоянии не менее 6 D от входного сечения и не менее 3 D от выходного сечения этой трубы (или от оси регулирующей заслонки). Схема измерения дымности отработавших газов - по черт. 2.

2.2.6. Отношение  площади поперечного сечения  зонда газоотборника к площади проходного сечения выпускной трубы испытательного стенда должно составлять не менее 0,05. [5]

2.2.7. Соединительные  патрубки между газоотборником и прибором измерения дымности должны быть герметичными, длиной не более 3,5 м, устанавливаться с подъемом в сторону прибора и не должны иметь отложений сажи на внутренних поверхностях.

2.2.8. Измерения  дымности проводят при коэффициенте F от 0,98 до 1,02, учитывающем влияние атмосферных условий. Значение коэффициента вычисляют по формуле

где Р - барометрическое давление во время проведения измерений, кПа;

Т - температура окружающего воздуха во время проведения измерений, К.

2.2.9. Избыточное  давление отработавших газов  в камере измерительного прибора  в процессе измерения должно  быть не менее 490 Н/м2 (50 мм вод. ст.) и более 585 Н/м2 (60 мм вод. ст.).

2.2.10. Допускается  для повышения давления газов  при отборе проб устанавливать  регулирующую заслонку (см. черт. 1) в выпускной трубе испытательного стенда на расстоянии не менее 3 D от входного отверстия зонда газоотборника. [6]

2.2.11. Для  уменьшения колебаний давления  в потоке отработавших газов  допускается устанавливать ресивер  в пробоотборной магистрали объемом не менее рабочего объема цилиндров двигателя.

2.2.12. Температура  газа в измерительной камере  прибора должна быть не ниже 343 К (70 °С) и не выше максимально  допустимой, указанной изготовителем  прибора.

Допускается для обеспечения указанных температур устанавливать в подводящей магистрали перед прибором теплообменник.

 

Чертеж 1. Схема измерения дымности отработавших газов

1 - выхлопной трубопровод дизеля; 2 - выхлопная труба испытательного стенда; 3 - газоотборник дымомера; 4 - ресивер; 5 - измерительный прибор; 6 - регулирующая заслонка [3]

 

 

 

 

2.3. Проведение измерений

 

2.3.1. Измерения  проводят на дизеле, установленном  на испытательном стенде, оборудованном  приборами по ГОСТ 14846-81 и дымомером, отвечающим требованиям приложения 2.

2.3.2. Измерение  дымности при установившемся режиме работы дизеля

2.3.2.1. Дымность отработавших газов автомобильных дизелей определяют на режимах внешней скоростной характеристики в соответствии с п. 2.1.2.

2.3.2.2. Дымность на каждом режиме измеряют три раза, при этом разность результатов измерений не должна превышать 4 % в единицах измерения шкалы прибора. Промежуток между последовательными измерениями не должен превышать 1 мин. За результат измерения принимают среднее арифметическое значение трех измерений.

2.3.3. Измерение  дымности на режиме свободного ускорения

2.3.3.1. Дымность на режиме свободного ускорения измеряют, по возможности, сразу после измерений при установившемся режиме работы двигателя. [1]

2.3.3.2. При  измерении дымности на режиме свободного ускорения двигатель отсоединяют от тормоза испытательного стенда. При работе дизеля с минимальной частотой вращения холостого хода быстрым, но плавным перемещением до упора ручного привода рычага управления устанавливают максимальную подачу топливного насоса. Такое положение должно сохраняться до включения регулятора и достижения максимальных оборотов двигателя, ограничиваемых регулятором. При этом по шкале измерительного прибора фиксируют максимальное значение дымности. После этого подачу топлива уменьшают до установления исходной минимальной частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу. [2]

2.3.3.3. После  возвращения стрелки прибора  в исходное положение режим  свободного ускорения повторяют. Дымность на режиме свободного ускорения измеряют восемь раз. За результат измерения принимают среднее арифметическое четырех последних измерений, допустимая разность результатов которых не должна превышать 4 % в единицах измерения шкалы прибора.

2.3.3.4. Общая  продолжительность проведения восьми  измерений не должна превышать 2,5 мин.

2.3.3.5. Перед  началом и после окончания  восьми измерений проверяют нулевое  положение стрелки измерительного  прибора. Если после окончания  восьми измерений отклонение  стрелки от нулевого положения  превысит 1 % в единицах измерения  шкалы прибора, измерения повторяют. [6]

 

2.4. Обработка результатов

 

2.4.1. Результаты  измерений дымности отработавших газов должны быть занесены в протокол испытаний и обработаны в соответствии с приложением 3.

2.4.2. По  результатам предварительных испытаний  составляют отчет с заключением. [5]

 

 

 

Заключение

 

Уменьшение количества и изменение качественного состава вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду с отработавшими газами, достигается целым комплексом мероприятий. Среди них следует отметить ряд конструктивных разработок — специальные конструкции камер сгорания для работы на бедных смесях, в том числе с различными типами форкамер, рециркуляция отработавших газов, т. е. подача их части на вход в двигатель, системы регулирования фаз газораспределения, уменьшающие перекрытие клапанов на пониженных режимах, и т. д. Однако даже при использовании в конструкции двигателей всех самых передовых решений удовлетворить нормам токсичности, установленным, например, в США, Японии и странах Европы, не удается. Вследствие этого современные автомобили с бензиновыми двигателями снабжаются каталитическими нейтрализаторами. [5]

В последние годы ужесточение норм токсичности коснулось и дизелей — на многих моделях автомобилей с дизельными двигателями уже появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию выхлопных газов, каталитический нейтрализатор и специальный сажевый фильтр. [6]

Дымность отработавших газов оценивается по оптической плотности отработавших газов, которая представляет собой количество света, поглощенного частицами сажи и другими све-топоглощающими дисперсными частицами, содержащимися в газах. Она определяется по шкале прибора АВТОТЕСТ-01 СО-СН-Т-Д — компактного газоанализатора-дымомера (СО, СН, мин"1, дымность). [4]

В 1992 г. Россия присоединилась к международному Соглашению по экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН, что создало правовую основу для контроля по их выполнению со стороны государства.

 

Список использованной литературы

 

1. Федеральный  закон “Об охране атмосферного  воздуха.” № 99 от 04.05.1999 г.

2. Федеральный  закон “Об охране окружающей  среды” № 7 от 10.01.2002 г.

3. ГОСТ 17.2.2.01-84 “Охрана природы. Атмосфера. Дизели  автомо-бильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений.”.

4. Федосеев, С.Ю. Анализ расхода топлива дизеля  Д-240 при отключении части цилиндров / С.Ю. Федосеев, А. А. Петелин, В.И. Суркин // Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем: материалы междунар. науч.-техн. конф. - Волгоград: ВГАУ, 2012. - Т. 2. -С. 254-258. 

5. Петелин, А.А. Анализ нагрузочных характеристик дизеля Д-240 при отключении части цилиндров / А.А. Петелин, С.Ю. Федосеев // Вестник ЧГАА. - Челябинск: ЧГАА, 2011. - Т. 58. -С. 148-151. 

6. ИСО /МЭК 3173:1978 “Транспорт дорожный. Прибор  для измерения непрозрачности  выхлопных газов дизельных двигателей”.