СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ
Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) входят в число главных источников загрязнения атмосферы. По зарубежным данным, общий ущерб от этого загрязнения в развитых странах составляет десятки миллиардов долларов ежегодно. В крупных российских городах загрязнение воздушного бассейна также достигло критического уровня и является основной причиной высокой заболеваемости, низкой продолжительности жизни людей и деградации окружающей среды. Поэтому проблема загрязнения атмосферы приобрела серьезную социальную и политическую ок раску [1].
Анализ современных тенденций в создании новых источников энергии и обновления парка мобильных машин различного назначения показывает, что ДВС в обозримом будущем останутся основным источником энергии на этих агрегатах, причем среди силовых установок автомобилей, тракторов и комбайнов наиболее экономичной тепловой машиной остается дизель.
Самым эффективным способом уменьшения количества токсичных выбросов дизелей мобильной техники является установка в их выпускных системах каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров для очистки отработавших газов (ОГ)[2]. Конструкция электрокаталитического нейтрализатора, разработанная нами, описана в статье [3].
Очевидно, что для оптимизации основных параметров нейтрализаторов и оценки степени их совершенства необходимо разработать специальные критерии.
При выборе критериев оптимизации нейтрализатора и создании его математической модели можно минимизировать или максимизировать эти критерии путем подбора факторов, влияющих на работу нейтрализатора. В факторном эксперименте одновременному варьированию подлежат несколько факторов. Для определения оптимальных условий протекания процессов следует найти значения этих факторов, соответствующие экстремуму целевой функции.
При оптимизации параметров нейтрализатора необходим сложный факторный эксперимент, так как происходят одновременное варьирование и взаимовлияние различных факторов, например:
- увеличение габаритных размеров нейтрализатора приводит к росту затрат на его изготовление;
- увеличение длины слоя засыпки катализатора влечет за собой рост газодинамических потерь, но и улучшает степень очистки отработавших газов;
- увеличение диаметра реакционной камеры, длины диффузора и конфузора приводит к снижению газодинамические потерь, но обусловливает рост производственных затрат и т. д.
Одним из наиболее важных критериев оптимизации являются общие затраты на нейтрализатор S [4]:
Поиску экстремума целевой функции S соответствует минимизация общих затрат:
С учетом различных скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля сумма общих затрат
Процедура поиска экстремума состоит в минимизации общих затрат. Определим составляющие их суммы.
Производственные затраты:
Затраты на эксплуатацию:
Экологические выплаты:
Экстремум целевой функции определяется на ПЭВМ градиентным методом наискорейшего спуска.
Предложенная методика параметрической оптимизации по стоимостному критерию (минимизация производственных и эксплуатационных затрат, а также экологических выплат) позволяет определить основные параметры нейтрализатора, однако не учитывает потерь тепла через корпус нейтрализатора, в то время как температура в реакционной камере в значительной степени влияет на характер протекания химических реакций и в конечном счете на степень очистки ОГ от токсичных компонентов.
В современных нейтрализаторах отработавших газов ДВС осуществляется очистка от нескольких токсичных компонентов. Поэтому в математической модели оптимизационной задачи в критерии оптимальности нейтрализатора должен присутствовать обобщенный показатель эффективности очистки, учитывающий нейтрализацию каждого из рассматриваемых токсичных компонентов [5].
Сформировать обобщенный показатель степени очистки можно на основе принципа приведения токсичности каждого из компонентов к одному из них, например к оксиду углерода. Для учета суммарной токсичности используются коэффициенты относительной степени токсичности (значимости) каждого i-го компонента из всех рассматриваемых по отношению к оксиду углерода (СО). Таким образом, для СО этот коэффициент kCO= 1; для оксидов азота (NOx) kNOx= 11,8; для сажи (C) kc = 20.
После умножения этих коэффициентов на показатели степени очистки соответствующих компонентов, полученные при стендовых испытаниях дизеля с нейтрализатором, появляется возможность их суммирования для определения обобщенного показателя степени очистки с учетом всех рассматриваемых токсичных компонентов в ОГ:
.В оптимизационной задаче можно использовать и среднее значение обобщенного показателя степени очистки:
.Однако появление константы п в математическом выражении целевой функции не изменит оптимальных значений варьируемых переменных в результате поиска. Поэтому в дальнейшем используем более простое математическое выражение для расчета К. Тогда в частном случае при рассмотрении в ОГ оксидов углерода (СО), оксидов азота (NOx) и сажи (С) обобщенный показатель степени очистки примет следующий вид:
(1)Наиболее полно об эффективности работы нейтрализатора можно судить на основании разработанного в монографии [6] комплексного критерия эффективности нейтрализатора Kэ, учитывающего суммарную мощность газодинамических и тепловых потерь в нейтрализаторе, а также суммарный коэффициент K очистки ОГ от токсичных компонентов, который можно рассчитать по формуле (1).
Очевидно, что при варьировании значений переменных в оптимизационной задаче оценивается максимум суммарного коэффициента очистки K и минимум мощности газодинамических и тепловых потерь в нейтрализаторе (NГ + NТ).
Тогда при определении минимума целевой функции, формирующегося сверткой нескольких критериев эффективности в один критерий оптимальности, общая мощность потерь (NГ + NТ) должна располагаться в числителе простой дроби, а суммарный коэффициент очистки – в ее знаме нателе:
. (2)Очевидно, что чем меньше значение коэффициента Kэ , тем совершеннее (эффективнее) разработанная конструкция нейтрализатора. С учетом выражения (2) для определения K критерий эффективности (целевая функция) примет следующий вид:
. (3)Полученное математическое выражение критерия эффективности удобно исследовать, применяя численные методы.
ЛИТЕРАТУРА
- Стрельников В. А. Повышение экологической безопасности автотракторных дизелей путем разработки и совершенствования методов и технических средств очистки отработавших газов: дис. … д-ра техн. наук. – Саратов, 2004. – 381 с.
- Стрельников В. А., Истомин С. В. Экологическая безопасность дизелей // Автомобильный транспорт. – 2003. – № 9. – С. 42–44.
- Цыпцын В. И.,Стрельников В. А., Истомин С. В. Снижение токсичных выбросов автотракторных дизелей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2003. – № 4. – С. 22–23.
- Стрельников В. А. Электротер мическая регенерация сажевых фильтров автотракторных дизелей // Вестник Саратовского государственного аграрного уни верситета им. Н. И. Вавилова. – 2007. – № 2. – С. 54–55.
- Пат. 2184249 Рос. Федерация. Каталитический нейтрализатор отработавших газов дизеля / В. И. Цыпцын, В. А. Стрельников, М. Д. Сухиташвили, А. П. Гришин ; опубл. 27.06.02, Бюл. № 18.
- Стрельников В. А., Цыпцын В. И. Моделирование процессов и разработка технических средств и способов, повышающих экологическую безопасность автотракторных дизелей. – Саратов, 2003. – 175 с.
Метки: Транспорт