Захист атмосфери від забруднення двигунами внутрішнього згоряння при застосуванні озоно–каталітичних процесів

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Спеціальність 21.06.01 - Екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Захист атмосфери від забруднення двигунами внутрішнього згоряння при застосуванні озоно - каталітичних процесів

Громико Андрій Володимирович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі хімічної технології неорганічних речовин Черкаського державного технологічного університету.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Столяренко Геннадій Степанович,

Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедри хімічної технології неорганічних речовин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Ткаченко Станіслав Йосипович,

Вінницький Національний технічний університет, завідувач кафедри теплоенергетики

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Хвастухін Юрій Іванович,

Інститут газу Національної академії наук України, завідувач відділом термошарових процесів.

Захист відбудеться « 1 » червня 2010 року о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою 03056, Київ-56, просп. Перемоги, 37, НТУУ «КПІ», корпус 19, ауд. 345.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України за адресою: 03056, Київ-56, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 29.04. 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 О.М. Мовчанок

кандидат технічних наук, доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Процеси горіння різних видів палива займають провідне місце в технології отримання тепла і електроенергії, металургії та різних виробничих процесах, технології експлуатації автомобільного транспорту.

В Україні експлуатується понад 1 млн. вантажних автомобілів та 2,5 млн. легкових, кожен з яких в середньому спалює від 12 до 30 т високооктанового бензину. Викиди забруднюючих речовин автомобільним транспортом в середньому за рік становлять близько 5,5 млн. т (39% всього обсягу викидів в Україні). У великих містах забруднення повітря вихлопними газами часом складає 70 - 90% загального забруднення.

Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) заснований на перетворенні хімічної енергії різного палива органічного походження в теплову і далі в механічну енергію в робочій порожнині двигуна. В даний час для живлення двигуна широко використовують як рідке так і газоподібне паливо, основними складовими якого є вуглеводні. Ланцюгові реакції окислення вуглеводнів палива займають ключове місце в процесах горіння. Від напрямку проходження таких реакцій та кількості радикалів НО*, НО2*, RO*, RO2* , що утворюються в зоні перед полум'ям, залежить повнота згоряння палива і кількість токсичних сполук у відпрацьованих газах.

У відпрацьованих газах автотранспорту виявлено близько 280 різних токсичних речовин, серед яких особливу небезпеку становлять оксид вуглецю (II), оксиди азоту, альдегіди, бенз(а)пірени, вуглеводні, сажа тощо.

Дана робота, яка присвячена вивченню впливу озоно - каталітичних процесів (ОКП) на ініціювання та прискорення послідовно - паралельних ланцюгових реакцій окиснення вуглеводнів в зоні горіння палива з метою збільшення повноти згоряння палива та зниження токсичності відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння - є надзвичайно актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася згідно із щорічними планами науково - дослідних робіт кафедри хімічної технології неорганічних речовин Черкаського державного технологічного університету (ЧДТУ), а також в рамках держбюджетних робіт: “Теоретичні основи гетерофазних і електрохімічних процесів у газових та рідких середовищах, моделювання технологій ресурсо- та енергозбереження” (2000?2002 роки, державний реєстраційний номер 0100U004426); “Використання низькотемпературної плазми в процесах синтезу радикалвміщуючих потоків для інтенсифікації процесів окиснення” (2003?2005 роки, державний реєстраційний номер 0103U003691), «Електронна активація гетерофазних каталітичних процесів» (2006-2008 роки, державний реєстраційний номер 0106U004498).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне обґрунтування та практична перевірка впливу озоно - каталітичних процесів на повноту згоряння рідкого палива в двигуні внутрішнього згоряння і розробка озонної технології (ОТ) зниження забруднення атмосфери відпрацьованими газами автомобілів.

Для досягнення поставленої мети необхідно виконати наступні задачі:

- експериментально визначити вплив ОКП на інтенсифікацію процесів горіння рідких палив в лабораторних умовах;

- теоретично обґрунтувати вплив озону на процес горіння рідкого палива;

- експериментально встановити взаємозв'язок між дозою озону в бензинах з різним октановим числом для різних режимів роботи двигунів внутрішнього згоряння та вмістом токсичних сполук у відпрацьованих газах;

- на основі теоретичних відомостей та експериментальних даних розробити математичну модель впливу процесу озонування палива на повноту його згоряння; забруднення двигун токсичний паливо

- запропонувати і розробити технологію використання ОКП зниження забруднення атмосфери відпрацьованими газами двигунів внутрішнього згоряння;

- розробити конструкцію обладнання для озонування палива на борту автомобіля та створити дослідний зразок установки;

- виконати економічні розрахунки результатів застосування ОТ інтенсифікації процесів горіння рідкого палива в двигунах внутрішнього згоряння.

Об'єкт дослідження - горіння рідкого палива, як джерело забруднення атмосфери відпрацьованими газами двигунів внутрішнього згоряння.

Предмет дослідження - вплив озоно - каталітичних процесів на повноту згоряння рідких палив в ДВЗ та рівень зниження забруднення атмосфери токсичними сполуками, що містяться у відпрацьованих газах.

Методи дослідження - йодометричний та спектрофотометричний метод для визначення концентрації озону в озоно - повітряній суміші та дози озону в паливі; оптико - абсорбційний, хроматографічний методи для визначення концентрацій вуглеводнів, оксиду вуглецю (II), оксидів азоту, альдегідів, бенз(а)пірену у відпрацьованих газах двигунів; термоелектричний метод вимірювання температури відпрацьованих газів. Математичне моделювання процесів здійснювалося за допомогою персонального комп'ютера із застосуванням програмного комплексу TERRA та особисто розроблених програм.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у то му, що вперше виявлені закономірності впливу озоно - каталітичних процесів, що проходять при згорянні озонованого палива, на вміст у відпрацьованих газах двигунів оксиду вуглецю (ІІ), вуглеводнів та оксидів азоту, які склали основу для створення озонної технології захисту атмосфери від забруднення двигунами внутрішнього згоряння, а саме:

- вперше на основі докладного вивчення процесів горіння рідкого палива в двигунах внутрішнього згоряння та механізмів реакцій озону з різними класами органічних сполук обґрунтовано інтенсифікуючий вплив озоно - каталітичних процесів на повноту згоряння палива;

- вперше розроблено математичну модель кінетики синтезу кисневмісних сполук в об'ємі рідкого палива при проходженні озоно - каталітичних процесів;

- визначено залежність зниження забруднення атмосфери токсичними сполуками, що містяться у відпрацьованих газах двигунів внутрішнього згоряння від способу змішування озону з паливом та дози озону в паливі.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених досліджень запропоновано технологічні схеми озонування рідкого палива на борту автомобіля. Дані досліджень стали основою для розробки конструкції та розрахунку обладнання ініціації ОКП при горінні палива в двигунах внутрішнього згоряння. Результати випробувань установки можуть служити основою для розробки ОТ зниження забруднення атмосфери відпрацьованими газами автомобілів в умовах роботи двигунів на різних видах палива. Проведені економічні розрахунки показують перспективність використання таких установок на автомобілях за рахунок їх невисокої собівартості та короткого строку окупності. Ефективність роботи установки підтверджена випробуваннями, які було проведено на борту автомобіля ГАЗ 3110 в умовах автомобільного господарства кафедри автомобілів та технологій їх експлуатації ЧДТУ та актом дослідно ? промислових випробувань та перевірки процесів використання ОТ зниження токсичності ВГ автомобіля ГАЗ 5312 на базі ВАТ «Черкаське АТП 17162».

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора полягає в одержанні наукових результатів, що представлені в дисертаційній роботі, полягає в плануванні, постановці та проведенні конкретних досліджень, аналізі літератури за темою дисертації, розробці та виготовленні лабораторних установок, обробці експериментальних даних, обґрунтуванні отриманих результатів та публікації і апробації їх на наукових конференціях. Внесок співавторів публікацій полягає в аналізі, обговоренні та узагальненні результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на третій Українській науково-практичній конференції «Екологія. Людина. Суспільство», (м. Київ, 2000р.), міжнародній науково - практичній конференції «Современные проблемы химической технологии неорганических веществ» (м. Одеса, 2001р.), третій міжнародній науково - технічній конференції «АВІА 2001»(м.Київ, 2001р.), четвертій міжнародній науково - технічній конференції «АВІА 2002»(м.Київ, 2002р.), п'ятій міжнародній науково - технічній конференції «АВІА 2003»(м.Київ, 2003р.), II міжнародній науково - практичній конференції «Актуальные вопросы и организационно - правовые основы сотрудничества Украины и КНР в сфере высоких технологий» (м. Київ, 2005 р.), IV Українській науково - технічній конференції з технології неорганічних речовин «Сучасні проблеми технології неорганічних речовин» (м. Дніпродзержинськ, 2008 р.), були представлені на днях Української науки в Польщі (м. Краків, Варшава, 2005 р.), на виставці Української науки та технологій у Індії (м. Нью Дейлі, 2004 р.), Міжнародній науково - технічній конференції «Efetywnosc Energetyczna» (Польща м. Краків, 21 - 23 вересня 2009 р.).

Публікації. За результатами наукових досліджень опубліковано 20 друкованих праць, в тому числі 7 статей у фахових виданнях ВАК України, 11 матеріалів та тез міжнародних та вітчизняних конференцій, отримано деклараційний патент та патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації - 205 сторінок, в тому числі основна частина - 125 сторінок. Дисертація містить 27 таблиць, 53 рисунки та 15 додатків. Перелік використаних джерел складається з 128 посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми забруднення атмосфери токсичними викидами двигунів внутрішнього згоряння, сформульовано мету та задачі, визначено об'єкт і предмет досліджень, відображено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено основні положення, що виносяться на захист.

В першому розділі показано роль процесів спалювання палива в забрудненні атмосфери токсичними сполуками, визначено величину забруднення атмосфери, яку спричиняють викиди двигунів внутрішнього згоряння, зроблено аналіз причин появи у відпрацьованих газах двигунів таких токсичних сполук, як оксид вуглецю (II), недопалені вуглеводні палива, оксиди азоту. На основі знань про механізми горіння рідкого палива в камерах згоряння двигунів та механізми реакцій озону з різними класами органічних сполук теоретично обґрунтовано хімізм впливу ОКП на токсичність відпрацьованих газів. Показано, що основними причинами появи токсичних сполук у відпрацьованих газах є недосконалість процесів підготовки паливо - повітряних сумішей до горіння в камерах згоряння на різних режимах роботи двигуна, недосконалість конструкції двигунів. Зроблено критичний огляд науково-технічної інформації щодо способів інтенсифікації горіння палива в двигунах внутрішнього згоряння. Аналіз інформації показав, що процеси інтенсифікації горіння палив в камерах згоряння двигунів на сьогоднішній день реалізуються двома основними способами: шляхом попередження утворення токсичних сполук у відпрацьованих газах та шляхом нейтралізації уже утворених шкідливих домішок. Встановлено, що сьогодні активно проводяться дослідження з активації палив та паливо - повітряних сумішей в магнітному і електричному полях перед подачею на спалювання. Проте за даним напрямком досліджень не достатньо вивчено та не обґрунтовано механізм згоряння активованих вуглеводнів палива в робочій порожнині двигуна, що обмежує практичне застосування цих способів. Вплив озону на повноту згоряння палива вивчався раніше, але з боку практичного застосування озонних технологій безпосередньо на борту автомобіля даний процес не вивчено. На основі огляду літератури визначено об'єкт та предмет досліджень, сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи, що направлені на вивчення ОКП інтенсифікації горіння палива в двигунах внутрішнього згоряння та розробку озонної технології зниження забруднення атмосфери відпрацьованими газами.

У другому розділі наведено та описано схеми дослідних установок, методика проведення досліджень. Для визначення дози озону в рідкому паливі використано метрологічно забезпечені методи: йодометричний для визначення вмісту озону в озоно - повітряних сумішах згідно до ГОСТ 18301?72 та спектрофотометричний за допомогою спектрофотометра СФ-46 (ГОСТ 18310?72). Для аналізу вмісту у відпрацьованих газах двигунів та газах спалювання рідких палив на лабораторних установках застосовано: оптико-абсорбційний (вміст СО за ГОСТ 17.2.2.08-87; вміст вуглеводнів за ГОСТ 17.2.2.03-87) та хроматографічний методи. Вміст оксидів азоту визначався фотоколориметричним методом. Температура відпрацьованих газів вимірювалася термоелектричним термометром та пірометром випромінювання (ГОСТ 13417-76).

У третьому розділі на основі розрахунків за математичною кінетичною моделлю синтезу кисневмісних сполук в об'ємі палива та розрахунків рівноважних концентрацій продуктів горіння озонованого бензину за допомогою програмного комплексу TERRA, теоретично доведено вплив ОКП на процес та повноту згоряння рідких палив в двигунах. Показано, що під час озонування бензину в його об'ємі синтезуються кисневмісні сполуки. Розпад таких сполук в зоні горіння ініціює проходження ОКП, що в цілому підвищує повноту згоряння палива та знижує концентрації оксиду вуглецю (ІІ) та оксиду азоту (ІІ) у відпрацьованих газах за рахунок проходження додаткових реакцій в зоні горіння з радикалами ОН*, НО2* та з радикалом активного кисню:

,

,

.

Далі представлені результати досліджень впливу ОКП на згоряння рідких палив. Встановлено кількісні характеристики впливу озону на повноту згоряння палив та величину зниження токсичності відпрацьованих газів (табл. 1, 2). При проведені досліджень на лабораторній установці встановлено, що із зростанням вмісту озону в бензині від 28 до 56 мг/кг зростає температура згоряння палива, знижується вміст оксиду вуглецю (II) у відхідних газах горіння на 59 - 65 %, вуглеводнів палива на 50 - 83 %, знижуються витрати палива на 10 - 28 %. Збільшення вмісту озону в бензині до 112 мг/кг за рахунок зростання температури горіння приводить до зростання на 33 % вмісту у відхідному газі оксидів азоту.

Досліджено також, що із зростанням вмісту озону в бензині від 120 до 168 г/кг знижується температура горіння такого палива, зростає вміст у відхідних газах оксиду СО на 12 - 28 %, вуглеводнів палива на 12 - 17 % у порівнянні з бензином, що містить озону 56 мг/кг палива. Досягнення такої концентрації озону в паливі вимагає більших проміжків часу озонування, що приводить до окиснення більш стійких до реакцій з озоном вуглеводнів (наприклад парафінових або ароматичних), окисненні сполуки яких за таких умов володіють меншою повнотою згоряння.

Таблиця 1

Характеристики процесу горіння озонованого бензину

Характеристика	Доза озону, мг/кг
	0	8	56	112	168
Температура відхідних газів, оС	960	990	1010	1025	970
Витрати бензину, г/годину	120	105	87	108	115
Вміст оксиду вуглецю (ІІ) в газах спалювання, мг/м3	49	20	12	17	26
Вміст оксидів азоту в газах спалювання, мг/м3	90	92	98	120	95
Вміст вуглеводнів в газах спалювання, мг/м3	245	123	40	54	83

В дослідженнях процесу горіння озонованого дизельного пального (ДП) враховано, що основними параметрами, які характеризують його згоряння, є температура спалаху, вміст у відхідних газах оксиду вуглецю (II), вуглеводнів палива та оксидів азоту. Проведені дослідження показали, що за умови вмісту озону в паливі 20 - 80 мг/кг у відхідних газах знижується вміст оксиду вуглецю (II) на 20 - 14 %, вуглеводнів палива на 32 - 74 %, при цьому на 80-300 оС знижується температура спалаху дизельного пального та його витрати. Збільшення дози озону з 120 до 180 г/кг погіршує показники згоряння дизельного пального.

Таблиця 2

Характеристики процесу горіння озонованого дизельного пального

Характеристика	Доза озону, мг/кг
	0	20	60	80	120	160	180
Температура спалаху, оС.	580	500	310	280	290	400	420
Витрати дизельного пального, г/годину	250	220	170	160	180	220	240
Вміст оксиду вуглецю (ІІ), мг/м3	46	37	27	28	29	34	33
Вміст оксидів азоту, мг/м3	80	85	92	94	96	92	89
Вміст вуглеводнів, мг/м3	310	210	104	80	90	130	145

Дослідження впливу ОКП процесів на повноту горіння бензину в двигунах внутрішнього згоряння проведено в декілька етапів. Перший етап ? проведення експериментів на двигуні автомобіля ГАЗ 3110 в режимі холостого ходу із зміною значень коефіцієнту надлишку повітря. Результати показали, що при горінні в двигуні озонованого бензину марки А?92 на різних режимах його роботи у відпрацьованих газах для дози озону 0,1 г/кг знижується вміст вуглеводнів на 15,5 - 54,5 %; для дози озону 0,2 г/кг ? на 24,1 - 64,6 %; для дози озону 0,4 г/кг ? на 20,4 - 63,1 %; для дози озону 0,8 г/кг ? на 7,8 - 41,8 %. Характер зміни вмісту альдегідів у відпрацьованих газах двигуна носить такий самий характер, що і для вмісту вуглеводнів.

Характерною особливістю зміни концентрації оксиду вуглецю (II) у відпрацьованих газах двигуна є залежність від режимів роботи двигуна. Максимальне зниження концентрації СО спостерігається при роботі двигуна на стехіометричних сумішах. Досліджено, що при різних режимах роботи двигуна на озонованому паливі у відпрацьованих газах знижується вміст оксиду вуглецю (II) для дози озону 0,1 г/кг: на 19,4 - 60,4 %; для дози озону 0,2 г/кг; на 29,6 - 76 %; для дози озону 0,4 г/кг: на 36,4 - 80,4 %; для дози озону 0,8 г/кг: на 12,1 - 37,3 %

Досліджено вплив озону на вміст у відпрацьованих газах оксидів азоту при різних режимах роботи двигуна. Максимальні концентрації оксидів азоту спостерігаються при режимах роботи двигуна, яким відповідає найбільш повне згоряння не озонованого бензину, тобто для значень коефіцієнту надлишку повітря 0,99 - 1,1. Для горіння озонованого бензину характерним є незначне зниження концентрації оксидів азоту у відпрацьованих газах. Так для режимів роботи двигуна із значенням коефіцієнту надлишку повітря 0,99 - 1,1 та вмісту озону в паливі 0,1 г/кг, концентрація оксидів азоту у відпрацьованих газах двигуна знижується на 10,7% у порівнянні із роботою двигуна на не озонованому бензині. За тих же режимів роботи двигуна та дози озону в паливі 0,2 г/кг концентрація оксидів азоту знижується на 12,9%; для дози озону 0,4 г/кг ? на 16%; для дози озону 0,8 г/кг ? на 6%

Отримані результати пояснюються ініціюючою дією ОКП на проходження в камерах згоряння двигуна додаткових ланцюгових реакцій горіння палива, що забезпечує високу рівномірність та повноту його згоряння, тим самим знижуючи вміст у відпрацьованих газах токсичних сполук.

На другому етапі проведення досліджень експериментально встановлено вплив озону на роботу двигуна внутрішнього згоряння стендової установки в режимі холостого ходу та в режимі навантажень, з подачею озону як в паливо-повітряні суміші (ППС) так і безпосередньо в бензин. За результатами досліджень роботи двигуна стендової установки в режимі холостого ходу, в умовах подачі озону в ППС, отримано закономірності згоряння палива в залежності від режимів його роботи. Дані закономірності представлені у вигляді графічних залежностей (рис. 5). В ході досліджень встановлено, що дозування озону в ППС на різних режимах роботи двигуна приводить до зниження вмісту у відпрацьованих газах оксиду вуглецю (II) на 22 - 45 %, вуглеводнів палива на 18 - 50 % у порівнянні із роботою двигуна без подачі озону в ППС.

Робота двигуна внутрішнього згоряння в режимі навантажень характеризується зміною його потужності. Для таких режимів роботи двигуна характерним є поява у відпрацьованих газах підвищених концентрацій оксиду вуглецю (II) та вуглеводнів палива. В ході проведення досліджень встановлено, що на різних режимах роботи стендового двигуна з навантаженням в умовах подачі озону в озоно - повітряні суміші у відпрацьованих газах знижується вміст оксиду вуглецю (II) на 20 - 35 %, вуглеводнів палива на 13 - 36 % (рис. 6). Закономірність зміни вмісту оксидів азоту у відпрацьованих газах стендового двигуна при подачі озону в ППС характеризується стабільним зростанням на 13 - 39 % як при роботі двигуна в режимі холостого ходу, так і в режимі навантажень.

Представлені результати роботи ДВЗ стендової установки на озонованому бензині. Область проведення експериментів обрано із режимів роботи двигуна, за яких токсичність відпрацьованих газів є максимальною. Показано, що робота двигуна на озонованому бензині характеризується більш сталими показниками процесу згоряння ніж при подачі озону в ППС. На основі отриманих експериментальних даних роботи двигуна на озонованому бензині можна чітко визначити оптимальний режим озонування бензину.

Оптимальною дозою озону в бензині можна вважати 0,2 - 0,4 г/кг. При згорянні такого палива в двигуні стендової установки у відпрацьованих газах знижується вміст СО на 78 - 90 %, вуглеводнів палива на 54 - 68 %, концентрація оксидів азоту знижується на 12 - 23 %. Збільшення концентрації озону в паливі до 0,8 г/кг погіршує показники його горіння в двигуні. Спостерігається чітка закономірність зростання повноти згоряння бензину з вмістом озону 0,4 г/кг в режимі роботи ДВЗ стендової установки з максимальним навантаженням. Так вміст оксиду вуглецю (II) у відпрацьованих газах за такої дози озону в бензині знижується на 78 %, вуглеводнів палива - на 76 %, а оксидів азоту ? на 23 %

У четвертому розділі на базі розробленої математичної моделі синтезу кисневмісних сполук в об'ємі палива та експериментальних даних по спалюванню озонованого палива представлено розрахунки бортової установки озонування, яка пройшла випробування на автомобілі ГАЗ 2410. Наведено результати випробувань установки, показано, що отримання та використання озону безпосередньо на борту автомобіля в умовах його експлуатації знижує вміст у відпрацьованих газах; оксиду вуглецю (II) ? на 32 - 41 %; оксидів азоту ? на 27 - 29 %; вуглеводнів палива ? на 42 - 48 %. Результати випробувань представлено у вигляді графічних залежностей (рис. 9). В ході проведених експериментів виявлено, що заміна бензину на озонований бензин дає додатковий ефект у вигляді економії палива до 5 ? 7 %.

Виконано розрахунки термічного коефіцієнта корисної дії термодинамічного циклу роботи ДВЗ на озонованому паливі. Показано, що при проходженні ОКП в зоні горіння за рахунок інтенсифікації згоряння палива, розрахований термічний коефіцієнт корисної дії зростає на 0,35 ? 0,67 % у порівнянні з коефіцієнтом корисної дії роботи ДВЗ на не озонованому паливі.

В розділі представлено технологічні схеми автономних установок живлення карбюраторних та дизельних двигунів озонованим паливом . Показано, що монтаж таких установок на автомобілях не вимагає зміни конструкції двигунів та не порушує режими їх роботи. Для живлення електричних перетворювачів озонних установок може бути використана бортова система енергетичного забезпечення автомобіля.

Представлено розрахунки збитків від забруднення навколишнього середовища відпрацьованими газами автомобілів на прикладі одного легкового автомобіля ГАЗ 2410, що працює на бензині марки А ? 76. Еколого - економічний ефект від впровадження системи озонування за рахунок зниження токсичності відпрацьованих газів при роботі автомобіля складає 14965 грн/рік. Розрахунки вартості бортової системи озонування палива показали, що строк окупності витрат складає 1,5 роки лише за рахунок зниження витрат палива при роботі автомобіля на озонованому бензині.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведене нове вирішення наукової проблеми захисту атмосфери від забруднення двигунами внутрішнього згоряння, що виявляється в застосуванні озоно - каталітичних процесів для інтенсифікації горіння рідких палив.

2. Попередньо проведеними дослідженнями визначено вплив ОКП на процес горіння палива в лабораторних умовах. Спостерігається: зростання температури горіння та зниження витрат палива, зниження вмісту у відхідних газах оксиду вуглецю (ІІ), вуглеводнів та оксидів азоту.

3. На основі триманих експериментальних даних, розрахунків за розробленою математичною моделлю кінетики синтезу кисневмісних сполук в об'ємі палива та розрахунків за допомогою програмного комплексу TERRA, теоретично обґрунтовано вплив ОКП на процес горіння рідкого палива в ДВЗ та ступінь зниження забруднення атмосфери токсичним сполуками, що викидаються з відпрацьованими газами (ВГ) двигунів.

4. Підтверджено ефект впливу ОКП на повноту згоряння бензину марки А?92 та А?95 при роботі двигуна на різних режимах (холостий хід, навантаження) та за різних умов подачі озону в паливо. В режимі холостого ходу при зміні величини коефіцієнта надлишку повітря в межах 0,88 - 1,1 та збільшенні дози озону в бензині від 0,1 до 0,4 г/кг у ВГ двигуна знижується вміст оксиду вуглецю (II) на16 - 82 %, вуглеводнів на 30 - 51 %. В режимі роботи двигуна з навантаженням 15 кг та за умови вмісту озону в бензині 0,4 г/кг спостерігається зниження вмісту у ВГ оксиду вуглецю (II) на 78 %, вуглеводнів палива на 76 %.

5. Встановлено, що за умови подачі озону в об'єм ППС, вміст оксидів азоту у відпрацьованих газах зростає на 13 - 39 % в залежності від режимів роботи двигуна. При подачі озону в бензин перед подачею на утворення ППС, вміст оксидів азоту у відпрацьованих газах знижується на 12 - 23 % як для холостого ходу так і для режиму роботи двигуна з навантаженням.

6. Розроблено, розраховано та створено обладнання бортової системи живлення автомобільного двигуна озонованим паливом. Перевірено роботу бортової системи на двигуні ЗМЗ 402 легкового автомобіля ГАЗ 2410. Для потужності системи 50 Вт досягнуто зниження вмісту оксиду вуглецю (II) у ВГ автомобіля на 32 ? 41 %; оксидів азоту - на 27 ? 29 %; вуглеводнів палива - на 42 - 48 %; витрати палива при роботі двигуна на озонованому бензині марки А ? 76 на 5 - 7 %. Визначено оптимальну дозу озону в паливі, яка складає 0,17 ? 0,22 г/кг.

7. Зроблено оцінку роботи ДВЗ на озонованому бензині за термодинамічними показниками. Така оцінка показала, що за рахунок інтенсифікації згоряння палива проходженням ОКП в зоні горіння, термодинамічний ККД циклу роботи двигуна зростає на 0,35 ? 0,67 % у порівнянні з ККД циклу роботи двигуна на не озонованому паливі.

8. Запропоновано технологічні схеми автономних установок живлення карбюраторного та дизельного двигунів. Дані установки не вимагають зміни конструкції двигуна, легко монтуються та в своїй роботі використовують внутрішні резерви автомобіля, такі як енергію акумуляторної батареї, роботу бортового генератора, наявність бортового компресора і стисненого повітря на борту автомобіля, що забезпечує роботу пневматичної системи гальмування.

9. Розраховано збитки від забруднення навколишнього середовища відпрацьованими газами двигуна ЗМЗ 402 легкового автомобіля ГАЗ 2410, що працює на бензині марки А ? 76. Еколого-економічний ефект від впровадження системи озонування при роботі одного автомобіля складає 14965 грн/рік. Розраховано вартість бортової системи озонування палива та строк окупності витрат на купівлю, монтаж та експлуатацію установки, який складає 1,5 років.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Столяренко Г. С. Інтенсифікація процесу горіння бензину у двигуні внутрішнього згорання / Г. С. Столяренко, А. В. Громико // Хімічна промисловість України. - 1996. - №1. - С. 23.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

2. Столяренко Г. С. Зниження токсичності відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згорання / Г. С. Столяренко, А. В. Громико, І. М. Астрелін // Труды одесского политехнического университета. - 1999. - вып. 1(7). - С. 145 - 149.

Здобувач підготував та виконав експериментальну частину роботи, опрацювання отриманих результатів, приймав участь у формулюванні висновків за результатами виконаної роботи.

3. Вязовик В. М. Озонна технологія зниження токсичності відхідних газів / В. М. Вязовик, А. В. Громико, Г. С. Столяренко // Вісник Черкаського інженерно - технологічного інституту. - 2001. - № 4. - С. 5 - 8.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

4. Громико А. В. Математична модель процесу кінетики озонування рідкого палива / А. В. Громико, Г. С. Столяренко // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2002. - № 2. - С.115 - 121.

Здобувач розробив алгоритм розрахунків та провів розрахунки і приймав участь у підготовці до публікації.

5. Столяренко Г. С. Озонний метод зниження токсичності відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згорання / Г. С. Столяренко, А. В. Громико // Двигатели внутреннего сгорания (Всеукраинский научно - технический журнал). - НТУ «ХПІ». - 2005. - С. 47 - 52.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

6. Громико А. В. Дослідження процесів інтенсифікації горіння рідкого палива, активованого в електромагнітному та електричному полях за присутності каталізатору / А. В. Громико, Г. С. Столяренко / Збірник наукових праць ДДТУ. - 2008. - № 2(10). - С. 3 - 6.

Здобувач розробив конструкцію експериментальної установки, виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

7. Волочай О. Я. Дослідження умов синтезу озону на пластинчатому генераторі з керамічними електродами / О. Я. Волочай, Г. С. Столяренко, А. В. Громико // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2008. - № 2. - С. 120 - 123.

Здобувач приймав участь у експериментальній частині роботи, обробці одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

8. Пат. 67515 А. Україна, МПК7 F 02 М 25/10. Пристрій для живлення двигуна внутрішнього згорання озонованим паливом / Столяренко Г. С., Громико А. В.; заявник та утримувач патенту Черкаський державний технологічний університет. - № 2003109131; заявл. 09.10.2003; опубл. 15.06.2004. Бюл. № 6.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи і обробку одержаних результатів та брав участь у створенні пристрою живлення двигуна внутрішнього згорання озонованим паливом.

9. Пат. 88644 С2, МПК(2009) F02M27/00. Спосіб електрокаталітичної активації вуглеводнів палива перед спалюванням в двигуні внутрішнього згорання / [Столяренко Г. С., Громико А. В., Вязовик В. М. та ін.]; заявник фірма «Радікал плюс». - № а 200702569; заявл. 12.03.2007; опубл. 10.11.2009. Бюл. №21.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи і обробку одержаних результатів та брав участь у створенні пристрою електрокаталітичної активації вуглеводнів палива перед спалюванням в двигуні внутрішнього згорання.

10. Громико А. В. Використання озону для зниження токсичності газових викидів двигунів внутрішнього згорання / А. В. Громико, Г. С. Столяренко // Екологія, людина, суспільство : ІІ Всеукр. наук.-практ. конф. студ., аспірантів та молодих вчених, 11-12 трав. 2001 р. : тези доп. ? К. , 2000. ? С. 90.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи і обробку одержаних результатів.

11. Вязовик В. М. Озоно ? радикальний метод пригнічення утворення токсичних сполук при горінні газоподібних вуглеводнів / В. М. Вязовик, О. Ю. Каграманов, А. В. Громико, Г. С. Столяренко // Современные проблемы хмимческой технологи неорганических веществ : міжнар. наук.-техн. конф., 21-25 трав. 2001. : тези доп. - Одесса., 2001. ? С. 32?35.

Здобувач виконав теоретичне частину роботи, приймав участь у розробці механізмів реакцій озону з вуглеводнями палива, моделював процеси озонування та приймав участь у підготовці публікації.

12. Громико А. В. Озон в процесах зниження токсичності газових викидів двигунів внутрішнього згоряння / А. В. Громико, І. М. Астрелін, Г. С. Столяренко // «АВІА 2001» : III міжнар. наук.-техн. конф., 24-26 квітня 2001 р. : тези доп. - К., 2001. - С. 18 - 21.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

13. Підручна Т. М.. Математична модель кінетики процесу озонування рідкого палива / Т. М. Підручна, А. В. Громико, Г. С. Столяренко // «АВІА 2002» : IV міжнар. наук.-техн. конф., 23-25 квітня 2002 р. : тези доп. - К., 2002. - С. 41.5-41.8.

Здобувач виконав теоретичне частину роботи, приймав участь у розробці механізмів реакцій озону з вуглеводнями палива, моделював процеси озонування та приймав участь у підготовці публікації.

14 Громико А. В. Використання озону для інтенсифікації процесу горіння рідкого палива в двигуні внутрішнього згоряння / А. В. Громико, Г. С. Столяренко // «АВІА 2003» V між нар. наук.-техн. конф., 23-25 квітня 2003 р. : тези доп. - К., 2003. - С. 41.131-41.134.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

15. Столяренко Г. С. Озоно - радикальный метод интенсификации процесса горения газообразного топлива / Г. С. Столяренко, В. Н. Вязовик, А. В. Громыко // «Озон и другие экологически чистые окислители» Первая Всеросс. конф., 7-9 июня 2005 г. тезисы докл. ? М., 2005. - С. 165.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

16. Stolyarenko G. Technology of removing toxic substances in exhaust gases of cars / G. Stolyarenko, A. Gromyko // Актуальные вопросы и организационно - правовые основы сотрудничества Украины и КНР в сфере высоких технологий : II міжнар. наук.-практ. конф., 16 листоп. 2005 р. : тези доп. К., 2005. - С. 112-115.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

17. Громико А. В. Зниження токсичності вихлопних газів двигунів внутрішнього згорання / А. В. Громико, Г. С. Столяренко, В. В. Зеленько, С. М. Дуда // Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні : IV міжнар. наук.-практ. конф., 4-5 квітня 2007 р. : тези доп. - Львів, 2007 - С. 130-134.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

18. Громико А. В. Вивчення впливу електрокаталітичного та електромагнітного полей на процеси інтенсифікації гріння рідкого палива / А. В. Громико, Г. С. Столяренко // Сучасні проблеми технології неорганічних речовин : наук.-техн. конф., 14-16 квітня 2008 р. : тези доп. ? Дніпродзержинськ, 2008 ? С. 30?31.

19. Столяренко Г. С. Технология снижения токсичности выхлопных газов автомобилей / Г. С. Столяренко, А. В. Громыко // Efetywnosc Energetyczna 2009 : міжнар. наук.-техн. конф., 21-23 вер. 2009 р. : тези доп. - Krakow, 2009. - С. 269 - 271.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

20. Громико А. В. Використання ресурсозберігаючих технологій на автомобільному транспорті / А. В Громико, Г. С. Столяренко // Структурна перебудова та екологізація економіки в контексті переходу України до збалансованого розвитку : Укр. екол. конгрес, 10-11 грудня 2009 р. : тези доп. ? К, 2009. - С. 190 - 193.

Здобувач виконав експериментальну частину роботи, обробку одержаних результатів та брав участь у підготовці публікації.

АНОТАЦІЯ

Громико А. В. Захист атмосфери від забруднення двигунами внутрішнього згоряння при застосуванні озоно-каталітичних процесів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01-Екологічна безпека. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». - Київ. - 2010.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми зниження забруднення атмосфери відпрацьованими газами двигунів внутрішнього згоряння та містить результати дослідження впливу озоно-каталітичних процесів, що проходять в робочій порожнині двигуна, на повноту згоряння рідких палив.

Вперше теоретично обґрунтовано інтенсифікуючий вплив озоно-каталітичних процесів на повноту згоряння палива. Визначено залежність зниження забруднення атмосфери токсичними сполуками, що містяться у відпрацьованих газах двигунів внутрішнього згоряння від дози озону в паливі. Доведено, що при роботі двигуна на різних режимах (холостий хід, навантаження) та за різних умов подачі озону в паливо, озоно-каталітичні процеси, що проходять в робочій порожнині двигуна, позитивно впливають на повноту згоряння бензинів, знижуючи вміст у відпрацьованих газах оксиду вуглецю (II) та вуглеводнів. Встановлено, що за умови подачі озону в об'єм паливо-повітряної суміші вміст оксидів азоту у відпрацьованих газах зростає і це залежить від режимів роботи двигуна. При введенні озону в бензин перед подачею його на утворення паливо-повітряної суміші, вміст оксидів азоту у відпрацьованих газах знижується. Визначено оптимальну дозу озону в бензині: 0,2-0,4 г/кг. Розраховано термодинамічні показники роботи двигуна внутрішнього згоряння на озонованому паливі. Запропоновано технологічні схеми автономних установок живлення карбюраторного та дизельного двигунів озонованим паливом. Розраховано збитки від забруднення навколишнього середовища відпрацьованими газами легкового одного автомобіля ГАЗ 2410. Еколого - економічний ефект від впровадження системи озонування при роботі автомобіля складає 14965 грн/рік.

Ключові слова: забруднення атмосфери, відпрацьовані гази, двигуни, озоно - каталітичні процеси, зниження забруднення.

АННОТАЦИЯ

Громыко А.В. Защита атмосферы от загрязнения двигателями внутреннего сгорания при применении озоно ? каталитических процессов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - Экологическая безопасность. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». - Киев. - 2010.

Диссертация посвящена решению проблемы снижения загрязнения атмосферы отработанными газами двигателей внутреннего сгорания и содержит результаты исследования влияния озоно ? каталитических процессов, проходящих в рабочей полости двигателя, на полноту сгорания жидких топлив.

Впервые на основе подробного изучения процессов горения жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания и механизмов реакций озона с различными классами органических соединений, теоретически обосновано интенсифицирующее влияние озоно ? каталитических процессов на полноту сгорания топлива. Экспериментально подтверждено влияние озоно-каталитических процессов на горение жидких топлив в лабораторных условиях; установлены оптимальные дозы озона при горении бензина марки А?92, которые составояют от 28 до 112 мг/кг.

В экспериментах на двигателях, при работе на разных режимах (холостой ход, нагрузка), доказано, что в том числе и при разных условиях подачи озона в топливо, озоно ? каталитические процессы, проходящие в рабочей полости двигателя, положительно влияют на полноту сгорания бензина. Установлено, что при условии подачи озона в объем топливо ? воздушной смеси, содержание оксидов азота в отработавших газах возрастает в зависимости от режимов работы двигателя. При введении озона в бензин перед подачей на образование топливо ? воздушной смеси, содержание оксидов азота в отработанных газах снижается. Определены оптимальные дозы озона в бензине: 0,2?0,4 г/кг. Увеличение концентрации озона в топливе до 0,8 г/кг ухудшает показатели его горения в двигателе. Рассчитаны термодинамические показатели работы двигателя внутреннего сгорания на озонированном топливе. Показано, что при сгорании озонированного бензина термический коэффициент термодинамического цикла работы двигателя увеличивается на 0,35?0,67 %.

На базе экспериментальных данных и теоретических знаний разработана математическая модель кинетики процесса озонирования углеводородов топлива. Кинетические зависимости, полученные в результате реализации программы математической модели, использованы для расчета и разработки оборудования бортовой системы питания двигателя озонированным топливом. Работа бортовой системы проверена экспериментально на автомобиле ГАЗ 2410. В результате экспериментов достигнуто снижение содержания в отработавших газах автомобиля оксида углерода (II); оксидов азота углеводородов топлива. Расход топлива при роботе двигателя на озонированном бензине, снижается на 5-7 %.

Предложены технологические схемы автономных установок питания карбюраторного и дизельного двигателей озонированным топливом., Рассчитан ущерб от загрязнения окружающей среды отработавшими газами двигателя легкового автомобиля ГАЗ 2410. Эколого?экономический эффект от внедрения системы озонирования при работе одного автомобиля составляет 14965 грн / год.

Ключевые слова: загрязнение атмосферы, отработанные газы, двигатели, озоно?каталитические процессы, снижение загрязнения.

ANNOTATION

Gromyko A. V. Protection of the atmosphere from pollution by internal combustion engines in the application of ozone-catalytic processes. - Manuscript.

The dissertation on reception of the scientific degree of Cand. Tech. Sci., specialty 21.06.01 ? ecological safety. ? National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2010.

The thesis is dedicated to reducing air pollution problems worked out gases of internal combustion engines and includes results of ozone-catalytic processes taking place in the working cavity of the engine, the completeness of combustion of liquid fuels. In this research the intensification ozone-catalytic processes to complete combustion. The dependence of reduction of air pollution by toxic substances contained in exhaust gases of combustion engines on the dose of ozone in the fuel. It is proved that when the engine in various modes (idling, load) and under different conditions in the fuel supply of ozone, ozone-catalytic processes taking place in the working cavity of the engine, positively affect the complete combustion of gasoline, reducing the content in the exhaust gases carbon monoxide (II) and hydrocarbons. The control requirements for ozone in the volume of fuel / air mixture content of nitrogen oxides in the exhaust gases increases and this depends on the operating engine. Typing ozone gas before feeding it to the formation of fuel-air mixture, the content of nitrogen oxides in exhaust gases decreases. The optimum dose of ozone in gasoline: 0,2-0,4 g / kg. The thermodynamic parameters of the internal combustion engine to fuel ozonized. The technological scheme of independent power plants and diesel engines carburetor gasoline. Calculated losses from environmental pollution worked out gas car GAZ 2410. Ecological - economic benefit from the introduction of ozonized operating vehicle is 14,965 USD per year.

Keywords: air pollution, spent gases, engines, ozone - catalytic processes, reduces pollution.

Размещено на Allbest.ru