| Повышение безопасности эксплуатации транспортных средств путем изменения состава и структуры водно-топливных эмульсий
Диссертация
Автор: Гавкалюк, Богдан Васильевич
Название: Повышение безопасности эксплуатации транспортных средств путем изменения состава и структуры водно-топливных эмульсий
Справка: Гавкалюк, Богдан Васильевич. Повышение безопасности эксплуатации транспортных средств путем изменения состава и структуры водно-топливных эмульсий : диссертация кандидата технических наук : 05.26.03 / Гавкалюк Богдан Васильевич; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т ГПС МЧС России] Санкт-Петербург, 2007 180 c. : 61 07-5/3962
Объем: 180 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2007
Содержание:
1 Состояние проблемы, цель и задачи исследования
11 Анализ факторов, определяющих опасность применения топлив неф-тяного происхождения на автомобильном транспорте
12 Современные топлива для автотранспорта и требования к их безопас-ности
13 Анализ исследований, посвященных разработке альтернативных топ-лив, в частности ВТЭ, для ДВС транспортных средств
14 Анализ исследований по изучению физико-химических основ воздей-ствия воды на процесс сгорания углеводородных топлив
15 Анализ методов приготовления и применения ВТЭ в ДВС
16 Выводы по обзору Цель и задачи исследования
2 Анализ и обоснование физико-химических гипотез влияния диспергиро-ванной воды на механизмы окисления топлива в цилиндрах ДВС
3 Постановка экспериментальных исследований, объекты испытаний, лабо-раторно-стендовое оборудование
4 Результаты экспериментальных исследований
41 Результаты исследования физических характеристик ВТЭ на лабора-торных установках
42 Результаты моторных испытаний ВТЭ
5 Обоснование эффективности внедрения результатов диссертационного ис-следования
Введение:
Безопасность автомобильного транспорта гражданского и специального назначения сегодня в значительной степени определяетсяво первых, пожароопасностью (способностью к возгоранию) используемого топлива [63, 98] иво вторых, эмиссией в окружающую среду с продуктами горения топлива в цилиндрах д в е вредных (загрязняющих) веществ [1, 2, 20, 37, 41, 50,99, 105], опасных для здоровья как гражданского населения (особенно вкрупных городах), так и личного состава боевых расчетов, находящихся длительное время в зоне выброса отработавщих газов и топливных испарений:СО, СН, NOx, БП, РМ [41, 48, 51, 57, 85].В последние годы в крупных городах России наблюдалось резкое увеличение количества транспортных средств [56, 57, 62]. Так, в городе СанктПетербурге с 1980 года по настоящее время количество транспортныхсредств возросло более чем в восемь раз, примерно, с 200 тыс. до 1 млн. 700тыс. единиц.По состоянию на начало 2006 года [69, 70] только в городе СанктПетербурге было зарегистрировано за физическими лицами 1 279 493 единицы транснортных средств. Из них: 1 013 764 легковые автомобили, 104 841грузовые, 18 735 автобусы и 58 158 единиц мототранспорта. Если учесть ещеи транспортные средства в количестве 441 068 единиц, принадлежащих юридическим лицам, то общее количество ТС, зарегистрированных в СанктПетербурге, составило 1 720 561 единиц.Автомобильный транспорт, благодаря наличию топлива, обладает пожарной опасностью [63, 98]. В конструкциях современных электронноуправляемых транспортных средств [57, 64, 68] появились новые источникимощного инфракрасного (теплового) излучения - пламегасители, системытермокаталитической нейтрализации ОГ, каталитически-регенерируемые сажевые фильтры и т. д.5Отмеченные обстоятельства привели сегодня к глобальной проблемезагрязнения ОГ атмосферного воздуха автотранспортом [43, 52, 56, 72, 75] изначительного роста числа возгораний автотранспорта, основную пожарнуюнагрузку которых составляет бортовое топливо, а основным источником воспламенения - топливные подтеки и топливные испарения.Рассмотренные проблемы самым непосредственным образом касаютсябезопасности пожарных автомобилей (ПА) [63, 64, 98] и личного состава, втечение продолжительного времени подвергаемого опасному воздействиютоксичных и канцерогенных веществ ОГ. ПА при выполнении боевых задачпо локализации и тушению пожаров, порою, должны находиться в непосредственной близости с зонами огневого воздействия - в области интенсивногоинфракрасного (теплового) облучения. Для таких чрезвычайных экстремальных условий желательно, чтобы применяемое топливо на ПА обладало болеевысокими значениями температуры вспышки и при сгорании выделяло в окружающую среду меньше токсичных и канцерогенных веществ, по сравнению с традиционным топливом нефтяного происхождения.Уровень современного развития техники и технологии позволяетуправлять отмеченными негативными явлениями [4, 6, 20, 40, 60, 70, 91, 99,106, 121], способными приводить к опасным чрезвычайным ситуациям. Теоретическими предпосылками управления процессами образования вредныхвеществ является изучение физики и химии (кинетики) воспламенения и горения смесевых топлив в естественных условиях [1, 19, 54, 73, 79, 89, 90] иих сгорания непосредственно в цилиндрах ДВС [13, 38, 58, 59, 74, 75, 76, 84,104, 120].Эффективным способом решения обозначенных проблем являетсяприменение нетрадиционных, альтернативных топлив, обладающих необходимыми свойствами. Так, показана возможность создания стабилизированных ВТЭ на основе дистиллятиого топлива [22, 33 и др.]. Таким образом, мысталкиваемся с вопросом управления свойствами топлива. Он может решатсязаменой топлива на нетрадиционное горючее ( водород, биологическое сырье6и т. д.) [20, 71, 81, 95] или «легированием» традиционного топлива специальными присадками. Последние целенаправленно изменяют свойства топлива,например, температуру вспышки, или, одновременно с этим, изменяют кинетику окисления основного топлива таким образом, чтобы в результате егосгорания отработавшие газы содержали меньшее количество вредных веществ [23, 33, 48, 55, 61, 108].То есть весьма актуальнг,1м становится решение задач понижения пожарной опасности и токсичности сгорания топлива путем «легирования»традиционного топлива такими присадками, которые бы одновременно приводили к росту темнературы вспышки (уменьшения опасности возгораниятоплива в естественных и экстремальных условиях пожара) и уменьшениюэмиссии в окружающую среду с ОГ вредных (загрязняющих) веществ. Но,при этом данные задачи должны решаться компромиссно с минимизациейриска ухудшения эффективных энергетических показателей транспортныхсредств - мощности и расхода l радиционного (основного) топлива ДВС. Заметным событием, повышающим актуальность решения данных проблем для отечественной автомобильной промышленности, которое уже коснулось и ПА, стало принятие Правительством РФ специального Технического регламента «О требованиях к выбросам вредных (загрязняющих) веществколесных транспортных средств, выпускаемых в обращение на территорииРоссийской Федерации» (Пос'га1ювление правительства РФ JV2 609 от 12 октября 2005 года) [82]. В соответствии с данным Постановлением определенпорядок и сроки поэтапного введения требований ЕЭК ООН по нарастающему уровню в период с 2006 года до 2014 года (Евро-5). «Экологической планкой» для базовых щасси ПА становится, начиная с 2006 года, уровень нормативов Евро-2, что требует научно-технического поиска не только общих, нотакже и специфичных, применительно к особенностям боевой работы ПА,новых конструктивно-технологических решений.7В настоящее время на вооружении частей ГПС МЧС России находитсязначительная часть техники, оснащенная ДВС технического уровня Евро-0 иЕвро-1, Это связано с тем, что,во-первых, на полное перевооружение частей ГПС существенно болеедорогой новой техникой не хвагает финансовых средств,во-вторых, ПА за 10-15 лет эксплуатации, как правило, нарабатываютресурс от 50 до 70 тыс. км пробега, что позволяет их эффективно использовать по основному назначению в течение данного и, даже, более отдаленногопериода времени.В связи со сказанным, применительно к условиям реальной эксплуатации ПА, становится актуальным их перевод на альтернативные топлива.На ранних этапах технического развития двигателестроения (перваяполовина прощлого века) в камеры сгорания ДВС автотракторного назначения могла подаваться вместе с топливом вода [76, 94]. В те годы необходимость добавок (впрыска) воды определялась исключительно снятием температурной напряженности деталей, офаничивающих камеру сгорания ДВС,так как применяемые конструкционные материалы имели сравнительно низкую температурную стойкость. По мере использования в двигателестроениижаропрочных сталей ослабевал интерес к применению воды, как доступногои относительно дешевого средства снижения тепловой напряженности двигателей. Однако в последние деся тилетия новь возрос интерес к применению вДВС воды, но уже по причинам пожарной опасности и токсичности сгораниятоплива [66, 85, 92, 93, 96, 110, 110, 116, 121-123]. Например, по ранним исследованиям фирмы СЕМТ Пилстик [42] использование воды на дизельныхдвигателях рассматривалось в качестве безальтернативного, главным образом с коммерческой точки зрения, способа борьбы с окислами азота.Известно, что наличие 1юды в топливе в форме «линз», т. е. в макрообъемах, недопустимо по действующим отечественным и международнымстандартам [30-32, 82]. В такой форме вода - не обладает смазывающей способностью, как соляровое масло, необходимой для нормальной работыплунжерных пар ТНВД;- коррозионно и биологически агрессивна в отношении применяемыхв д в е металлов; наконец, попадая в цилиндры двигателя,- приводит к пропускам воспламенения топлива и, как следствию, неустойчивой работе двигателя, а также повышенному выбросу с ОГ опасных углеводородов [33].Совершенно другие свойства, противоположные отмеченным негативным признакам, проявляет вода, составляющая с топливом коллоиднуюсистему - водно-топливную эмулг>сию (суспензию) [45, 46, 53, 65-70, 77, 112,117-119]. При этом наилучшей смазывающей способностью и эффективностью сгорания обладают, так называемые в теории растворов, «обратные»эмульсии [17, 33, 35, 45, 46, 78], в которых частички воды микронных размеров находятся в топливных оболочках (пленках) и не вступают в контакт сметаллическими поверхностями топливных баков, топливопроводов, ТНВД,форсунок. Такие частички разрушаются только при попадании в цилиндрыдвигателя в процессе испарения и смесеобразования, по некоторым известным гипотезам, - в форме «микровзрывов» [33, 97].Однако, результаты апробации указанного метода, его широкое применение сдерживается рядом объективных и субъективных причин. Объясняется это все еще недостаточной изученностью теории данного явления и надежного подтверждения гипо1е'5 экспериментальной практикой. В частности,в случае присадки воды к топливу, все большее признание завоевывает точказрения, что улучшение то плит юй экономичности и экологических параметров дизелей при сгорании ВТЭ связано с химическими аспектами воздействия воды на процессы в КС дизеля [42, 109 и др.]. Однако до сих пор существуют самые разнообразные версии механизмов воздействия воды, подтвержденные зачастую лишь косвенными результатами.Следует отметить, что, несмотря на наличие значительного количества работ, подтверждающих целесообразность использования ВТЭ на транс9портных двигателях, - как теоретические исследования, касающиеся объяснения природы (механизмов) воздействия топливных эмульсий на процессыокисления топлива в цилиндрах ДВС, так и результаты экспериментальныхисследований, подтверждающих эффективность применения топливныхэмульсий в ДВС, на сегодняшний день, разрозненны и во многом противоречивы. Они не содержат надежных (или универсальных) рекомендаций в отношении- способов приготовления и применения эмульсий на транспортныхдвигателях;- конструктивного исполнения оборудования для приготовления ВТЭв стационарном и бортовом нрименении;- методов и аппаратуры контроля влагосодержания в эмульсии;- подбора ПАВ в зависимости от вида топлива (дизельное, бензин,мазут) и климатических условий его применения (для зимних условий - связанных с вопросом фильтрации ВТЭ);- конкретных сведений об особенностях молекулярной структуры рекомендуемых ПАВ и седиментационной стойкости ВТЭ и, самое главное,- оптимальных рецептур в отношении одновременного достиженияэффектов пожарной и токсикологической безопасности в пределах требований на мощность и топливную экономичность транспортных энергетическихустановок.Таким образом, на сегодняшний день становится весьма актуальнымпроведение изысканий по научному обоснованию и применению на транспортных средствах, в особенности, - снециальных (ПА) альтернативного топлива - ВТЭ с целью уменьшения опасности и повышения эффективности ихиспользования в реальных условиях эксплуатации.Как было отмечено ранее, для решения этих вопросов необходимацеленаправленная онтимизация состава и структуры ВТЭ с учетом применяемых конструкций и регулировочных возможностей ТА двигателей, прежде всего, - цикловой подачи ВТЭ. При этом для достижения отмеченной цели10уменьшения опасности и удовлетворения эффективности применения транспортных средств в реальных ус1ювиях, необходимо обеспечить более высокие значения температуры всп1>пики альтернативного топлива, требования кдымности и токсичности ОГ и основным показателям эффективности - мощности, топливной экономичное ти ДВС, нри учете эксплуатационных свойствВТЭ. Таким образом, применительно к современному этапу эксплуатациитранспортных средств, в особенности, - специальных (ПА), на которых установлены ДВС, становится актуальным решение следующих научнотехнических задач:- систематизация современной информации и теоретическое (феноменологически - на уровне гипотез) обоснование эффективности примененияВТЭ, априорно обладающей пониженной пожароопасностью (более высокими значениями температуры вспышки), на ДВС транспортных средств;- разработка и изготовление оборудования для приготовления и контроля влагосодержания ВТЭ в с тационарном и бортовом применении;- обоснование рецептур[>1 ПАВ в зависимости от вида основного топлива (дизельное, бензин, мазут);- нроведение лабораторп[,1Х и стендовых (на нолноразмерном транспортном двигателе) экспериментальных исследований по определению температуры вспышки, молекулярной структуры рекомендуемых ПАВ, седиментациогнюй стойкости ВТЭ и оптимальных рецептур в отношении одновременного достижения эффектов пожарной и токсикологической безопасностив пределах требований на моп1ность и топливную экономичность транспортных энергетических установок.Отмеченные цель и задачи легли в основу настоящего диссертационного исследования, экспериментальная чаеть которого была проведена на стендовой установке с транспортным двигателем Д21А1.Научная новизна резулглатов диссертации определяется обоснованными феноменологическими гипотезами физико-химического воздействия ВТЭ11на смесеобразование и ингибирование процессов образования вредных веществ (сажи и оксида азота) в цилиндрах транспортных ДВС; выявленнымиотличиями молекулярной структуры ПАВ от молекулярной структуры дистиллированной воды, которые объясняют свойство седиментации (устойчивости) и гипотезы о механизмах воздействия ВТЭ на процесс сгорания основного топлива в цилиндрах ДВС; полученными закономерностями изменения показателей безопасности по Техническому регламенту ПостановленияПравительства РФ № 609 от 12 октября 2005 года (в отношении дымности итоксичности ОГ) в зависимости от состава ВТЭ; теоретически и экспериментально обоснованными рекомендациями по технологии приготовления и составу ВТЭ для двигателей транспортных средств применительно к эксплуатационным условиям.Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Пожарная, аварийно-спасательная техника и автомобильное хозяйство» Санкт-ПетербургскогоУниверситета ГПС МЧС России. Отдельные лабораторные и стендовые эксперименты проводились с участием автора на ПТЦ ГПС Санкт-Петербурга иЛенинградской области, в Физико-техническом институте им. А, Ф. ИоффеРАП, СПб, химико-технологическом Университете, ОАО ЦПИТА. Результаты выполненного исследования внедрены в учебном процессеи использовались при выполнении научно-исследовательских работ по целевым программам СПб университета ГПС МЧС России, внедрены в 0 0 0«Новгородское пассажирское автотранспортное предприятие-!» ДУ, внедрены в ОАО ЦПИДИ, СПбГАУ, Полученные результаты могут быть также использованы на предприятиях, эксплуатирующих двигатели и транспортныесредства в условиях офаниченного воздухообмена, разработчиками присадок к топливу.По результатам диссертационного исследования на защиту выносятсяследующие положения.121. Обобщенная феноменология физико-химических механизмов воздействия ВТЭ на нроцесс горения основного тонлива, ингибирования образования сал<и и окислов азота в цилиндрах транснортных ДВС,2. Выявленные отличия молекулярной структуры ПАВ от молекулярной структуры дистиллированной воды, объясняющие седиментацию (устойчивость) ВТЭ и ее специфические свойства воздействия на нроцесс сгоранияв цилиндрах ДВС.
3. Теоретически и экснсриментально обоснованные рекомендации нотехнологии нриготовления и составу ВТЭ для двигателей транспортныхсредств в эксплуатационных условиях нрименения.4. Закономерности KOMruieiccHoro влияния состава ВТЭ на показателимощности, тонливной экономичности, дымности и токсичности ОГ транспортного ДВС по стандартизован1н>1м нроцедурам испытаний.5. Рекомендации по расширению применимости ВТЭ совместно с конвертированием систем1>1 выпуска ОГ в целях удовлетворения требованиямбезопасности применения трамснортных средств по специальному техническому регламенту, утвержденному Постановлением Правительства РФ № 609от 12 октября 2005.
|
