Проблемы уменьшения токсичности выхлопных газов

142
ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ
ПРОБЛЕМЫ УМЕНЬШЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ
ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
© Гладков М.В., Гладкова Н.А.
Дальневосточный филиал научно-исследовательского
проектно-технологического бюро «Онега», г. Большой Камень
Филиал Дальневосточного федерального университета в г. Большой Камень,
г. Большой Камень
В данной статье рассмотрены проблемы уменьшения токсичности
выхлопных газов дизельных двигателей. Рассмотрены направления
решения экологической проблемы по снижению токсичности выхлопных газов и отрицательного экологического воздействия дизельных
двигателей на окружающую среду.
Ключевые слова: дизельный двигатель, угол опережения впрыска
топлива, цикловая подача топлива, рециркуляция отработавших газов,
продукты неполного сгорания топлива.
Производственная деятельность судов оказывает воздействие на окружающую среду всех климатических зон. Негативное воздействие судна на
природную среду в настоящее время остается достаточно высоким в результате выброса вредных веществ, как от самого судна, так и от многочисленных
производственных предприятий, обслуживающих его. Эксплуатация судов
неизбежно связана с возникновением и решением экологических проблем.
Одной из важнейших задач, решаемых в рамках отраслевой экологической программы, является сокращение выбросов вредных веществ в атмосферный воздух. Анализ методов оценки и путей снижения отрицательного
экологического воздействия дизельных установок на окружающую среду
показывает, что в настоящее время основными направлениями являются:
‒ применение разделенных и полуразделенных камер сгорания;
‒ уменьшение максимальной цикловой подачи топлива;
‒ уменьшение угла опережения впрыска топлива;
‒ уменьшение степени сжатия;
‒ впрыск воды в двигатель;
‒ обогащение воздуха на впуске топливом;
‒ применение наддува;
‒ частичная рециркуляция отработавших газов;
‒ применение антидымных присадок;

Инженер-технолог 2 категории Дальневосточного филиала научно-исследовательского проектно-технологического бюро «Онега».

Доцент кафедры Морских технологий и энергетики Филиала Дальневосточного федерального университета, доцент.
Технические науки
143
‒ обслуживание и ремонт топливной аппаратуры;
‒ применение альтернативных видов топлива.
Кроме того, представляет интерес использование различных методов
обработки топлива перед впрыском в камеру сгорания.
Уменьшением угла опережения впрыска топлива на 4-5° от штатного
снижается максимальная температура цикла, что приводит к снижению концентрации оксида азота (NOX) в среднем на 30-35 %. Увеличение угла опережения впрыска топлива повышает концентрацию (NOX) на 15-17 % [5].
Другое влияние изменение угла опережения впрыска топлива оказывает
на содержание продуктов неполного сгорания топлива. Например, уменьшение угла опережения впрыска приводит к снижению концентрации окиси
углерода (СО) при работе дизеля в диапазоне малых нагрузок. Наоборот,
приводит к увеличению при работе дизеля в области средних и максимальных нагрузок. При угле впрыска больше штатного, концентрация СО увеличивается в области малых нагрузок и снижается в области нагрузок, превышающих среднюю токсичность дизеля.
Уменьшение угла опережения впрыска топлива вызывает рост содержания продуктов неполного сгорания топлива, но общая токсичность дизеля
не увеличивается, так как выход наиболее токсичного и трудно обезвреживаемого оксида азота снижается. Применение такого способа требует разработки и установки на дизеле специальной муфты, позволяющей автоматически менять угол опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки.
При ориентации на дизели с разделенными камерами сгорания необходимо изыскать и реализовать дополнительные резервы, чтобы уменьшить
потери в мощности, экономичности и пусковых качествах. Такими резервами, в частности, являются совершенствование технологии производства и
сборки, снижение механических потерь, повышение качества изготовления
топливной аппаратуры, повышение давления впрыска, подбор оптимальной
формы камеры сгорания и проходных сечений каналов.
Реализация этих мероприятий позволила фирме МАН создать дизели с
предкамерным смесеобразованием с диаметром цилиндров Du = 150-180
мм, имеющие удельный расход топлива 0,22-0,23 кг/кВт·ч.
Разделенные камеры сгорания, уменьшения максимальной цикловой подачи топлива, уменьшение степени сжатия, уменьшение угла опережения
впрыска топлива, впрыск воды во впускной трубопровод, а также дросселирование воздуха на впуске – сопровождаются некоторым ухудшением эффективных показателей экономичности и требуют конструктивных изменений.
Положительные результаты дает и рециркуляция отработавших газов на
линии всасывания. В этом случае в свежем заряде цилиндра снижается доля
свободного кислорода, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости
и температуры сгорания топлива а, следовательно, к ухудшению условий
образования оксида азота. Кроме того, уменьшается выбрасываемая масса
газов – на величину перепускаемых.
144
ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ
Количественное изменение свежего заряда может негативно отразиться
на технико-экономические показатели двигателя. При чрезмерном перепуске отработавших газов может увеличиться расход топлива с одновременным
падением развиваемой дизелем мощности. Поэтому количество перепускаемых газов для каждого двигателя подбирается индивидуально, исходя из
условий минимального ухудшения технико-экономических показателей дизелей и режимов его работы. Как правило, в этом случае за основу берется
топливная характеристика. Следовательно, экономические показатели дизеля должны увязываться с указанными ограничениями.
Так же при применении рециркуляции газов возникает дополнительная
проблема – отложение сажи на внутренних поверхностях дизеля – воздухоподводящем канале, впускных окнах, форсунках. Эту проблему можно решить с помощью использования специальных сажевых фильтров.
В настоящее время ряд отечественных и зарубежных исследователей
ведут работы по созданию керамических фильтров, фильтров на основе металлических сеток и войлока, а также электрофильтров. Такие фильтры способны задерживать до 80-95 % твердых частиц, содержащихся в отработавших газах.
В процессе работы первые два из указанных типов фильтров быстро забиваются сажей, что приводит к резкому росту противодавления в выхлопном тракте. Поэтому требуется их регенерация – либо огневая (за счет выжигания сажи специальными горелками), либо за счет противотока, встряхивания. В целом рециркуляцию предпочтительно применять на тех судах, у
которых, в общем времени эксплуатации преобладают режимы холостого
хода и малых нагрузок [2].
Одним из направлений в очистке отработавших газов от вредных выбросов (NOX, СО, CO2, SO2 и др.) является применение жидкостных нейтрализаторов. Жидкостная нейтрализация получила широкое применение,
как простой физико-химический способ воздействия на отработанные газы
дизелей. Процесс нейтрализации включает следующие стадии: улавливание
мелкодисперсных частиц; адсорбцию; конденсацию и фильтрацию.
Через слой жидкости пропускают отработавший газ, в результате он охлаждается до 40-80 С. Водорастворимые компоненты очищаемых газов –
альдегиды, оксиды серы, оксиды азота при этом нейтрализуются, сажевые и
другие дисперсные частицы улавливаются жидкостью, ослабляется интенсивность запаха выхлопов. Оксиды углерода и оксиды азота при этом не
обезвреживаются. Для повышения эффективности такой очистки отработавших газов применяют растворы Na2SO3, Na2CO3 и гидрохинона. При
этом легко улавливается даже бензпирен. Однако эксплуатация нейтрализатора дороже по сравнению с другими методами, так как требует каждосменного удаления и утилизацию растворов и шлама, промывки системы и
заполнением свежей жидкостью [1].
Технические науки
145
В настоящее время во многих странах ведутся исследования по применению электрофизических методов очистки газов от экологически вредных
составляющих. Одним из способов является применение устройств с использованием импульсной стримерной короны для очистки отработавших газов.
По сравнению с другими способами очистки, очистка с помощью стримерной короны не сопряжена с решением сложных инженерных задач обеспечения высокого ресурса источника энергии – ускорителя электронов в агрессивной среде выхлопных газов.
Выхлопные газы проходят через реакционную камеру, к которой прикладываются импульсы высокого напряжения столь малой длительности,
что пробоя камеры не происходит. При этом в камере возникает интенсивный импульсный разряд, представляющий собой одновременное развитие
большого числа тонких светящихся каналов разряда – стримеров.
Во время прорастания стримеров в межэлектродном промежутке, за
счет высокой напряженности электрического поля на головках стримеров
нарабатывается большое количество электронов имеющих сравнительно
высокую энергию.
Взаимодействие этих электронов с молекулами газа приводит к образованию химически активных частиц (О, O3, ОН-, H2O2 и т.д.), которые взаимодействуя с молекулами примесей, окисляют и доокисляют их с образованием безвредных малоактивных соединений. При этом привлекательными
являются простота технологий очистки, позволяющая совмещать реакционную камеру с существующими технологическими схемами и относительно
невысокие затраты энергии на процесс очистки.
Наличие в газах только коронирующего электрода является несомненным преимуществом этого способа очистки по сравнению с другими способами, что не исключает их комплексного применения. Энергия, требуемая
на очистку 1 м3 газа, меняется в зависимости от концентраций и вида загрязняющего компонента. Так для очистки воздуха от двуокиси азота (NO2)
на 80 % требует затрат энергии около 15кВт·ч/м3, от двуокиси серы (SO2) на
90 % – 10 Вт·ч/м3 [3].
Большое значение для снижения вредных выбросов дизелей имеет разработка и внедрение альтернативных низкотоксичных видов топлив. Так в
качестве дизельного топлива можно использовать диметиловый эфир. Но
топливо должно быть доступным. В ИНХС РАН (Институт нефтехимического синтеза) разработали эффективный способ получения дешевого диметилового эфира из синтез-газа в одну стадию.
Диметиловый эфир СН3ОСН3 (ДМЭ) при комнатной температуре это
газ, но при минус 25 °С он сжижается и под небольшим давлением может
быть помещен в топливные баки дизельных двигателей. Параметры сгорания ДМЭ такие же, как и у дизельного топлива и при сохранении мощности
и экономичности полностью отсутствует в выхлопных газах сажа на всех
режимах работы, а так же снижается содержание оксидов азота.
146
ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ
Одной из проблем разработки и внедрения альтернативных низкотоксичных видов топлива является то, что дизельный ДВС не может работать
на природном газе, поэтому одной из мер по снижению токсичности выхлопных газов и экономии дизельного топлива может стать применение газодизелей – ДВС с двухтопливной системой: дизельное топливо – газ.
Принцип этой системы состоит в том, что количество подаваемого в цилиндры дизельного топлива уменьшается примерно на 35 %, а во впускной
коллектор вместе с воздухом подается 35 % сухого газа, которые тщательно
перемешиваются перед впуском в цилиндр. Это позволяет двигателю развивать такую же мощность, какую он развил бы при использовании 100 %
дизельного топлива. Сгорание топлива в цилиндрах происходит более активно, уменьшая дымность отработанных газов почти на 50 % [2]. Так же
для снижения токсичности выхлопных газов рекомендуется использование
топливных присадок и водотопливных эмульсий, подача воды в воздушный
ресивер. В качестве добавок к топливу возможно использование растительных масел (до 10 %) без потери мощности, после их предварительной переработки (прессование, извлечение эфиров, очистка, рафинирование и др.).
Другой из способов улучшение экологических и технико-экономических показателей судовых дизелей является электромагнитная обработка
топлива перед непосредственной подачей его в камеру сгорания. При этом
изменяется физическое состояние топлива на молекулярном уровне (ионизация топлива).
Такие изменения ведут к улучшению распыления топлива по всему периметру камеры сгорания, что приводит к хорошему смесеобразованию и
более качественному и полному сгоранию горючей смеси. Это ведет к уменьшению нагара в камере сгорания, снижению содержания в отработавших
газах окиси углерода на 20-50 %, углеводородов – на 20-60 %, окислов азота –
на 15 %, дымности – на 30-60 %, снижение расхода топлива – до 15 % (в зависимости от режима работы). Кроме этого облегчается пуск в зимнее время,
повышается надежность и мощность двигателя; улучшается теплообмен; увеличивается моторесурс; уменьшается уровень шума двигателя [6].
Анализ данных по содержанию экологически опасных веществ в выпускных газах на единицу вырабатываемой мощности позволяет составить
баланс количества вводимых в установку и выбрасываемых из нее различных химических веществ.
Эффективно применение многофункциональных присадок, обеспечивающих снижение образования вредных для окружающей среды веществ. В
этом случае интенсификация процесса сгорания топлива достигается действием присадок в качестве доннарно-акцепторных веществ в процессе окисления углеводородов.
Применяют множество различных присадок, интенсифицирующих сгорание топлив, что хотя и способствует уменьшению образования в камере
Технические науки
147
сгорания экологически опасных веществ, однако не дает достаточных результатов в отношении защиты окружающей среды (особенно это касается
окислов азота).
Решение данной задачи обеспечивается, если предотвратить или существенно уменьшить в процессе сгорания топлива образование химически
активного азота. Химически активный азот в атомарном виде образуется
при температуре выше 1500 °С, при которой с электронных орбит начинается процесс срыва электронов. Одновременно с этим идет и процесс рекомбинации, т.е. захват свободных электронов атомами и молекулами азота.
Таким образом, для уменьшения образования окислов азота необходимо
создание в камере сгорания условий по интенсификации процесса рекомбинации. Для этого необходимо, чтобы в камере сгорания находилось большое
количество свободных электронов. В условиях, когда поток свободных электронов в результате их ухода через стенку камеры сгорания становится менее плотным, процесс рекомбинации замедляется.
Чтобы этого не происходило, нужно вместе с топливом в камеру сгорания ввести присадку, состоящую из химического вещества, которое при высокой температуре легко распадается с образованием большого количества
свободных электронов, т.е. оно должно легко переходить в полуплазменное
(или плазменное) состояние.
В настоящее время на этом принципе действия разработаны и испытываются опытные образцы присадок, которые после их промышленного освоения будут рекомендованы к широкому применению в судовой дизельной
установки.
Кроме рассмотренных направлений решения экологической проблемы,
наиболее эффективным является повышение эксплуатационных и экологических свойств самих горюче-смазочных материалов.
Топлива с улучшенными свойствами (по сравнению с аналогичными
топливами), которые вырабатываются в настоящее время, должны быть:
‒ узкофракционного состава;
‒ с меньшей испаряемостью и склонностью к осадкообразованию;
‒ меньшим содержанием серы;
‒ с контролируемым содержанием тяжелых металлов и минусовой
температурой застывания [4].
Из рассмотренных мероприятий по снижению токсичности выхлопных
газов дизельных двигателей следует, что единого (универсального) технического решения, удовлетворяющего ужесточающиеся экологические требования для дизелей нет. Поэтому при разработке комплекса антитоксичных устройств для судов с дизельным двигателем необходимо учитывать тип дизеля,
режим его работы, тип топлива и состав его примесей. Каждый из используемых элементов такой комбинированной системы должен вносить свой вклад в
повышение экологической чистоты, без ущерба для экономичности дизелей.
148
ПРИОРИТЕТНЫЕ НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ: ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ
Список литературы:
1. Азбука ДВС [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.azbukadvs.ru/dinamika-i-konstruirovanie/2050-sistema-vypuska-chast-12.html.
2. Большая энциклопедия нефти и газа [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: www.ngpedia.ru/id183271p1.html.
3. Медицинский портал Медицина от А до Я [Электронный ресурс]. –
Режим доступа: www.med-books.info/gigiena-sanepidkontrol_733/metodyiochistki-othodyaschih-gazov.html.
4. Пахомов Ю.А. Топливо и топливные системы судовых дизелей /
Ю.А. Пахомов, Ю.П. Коробков, Е.В. Дмитриевский, Г.Л. Васильев. – М.:
РКонсульт, 2004.
5. Портнова О.С., Гладкова Н.А., Минаев А.Н., Надараиа К.В. Проблемы уменьшения газообразных выбросов при сжигании органического топлива // Проблемы размещения высокотехнологичного производства в малых
городах Дальнего Востока России. – Владивосток: ДВФУ, 2013.
6. Экология окружающей среды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http: //www.eco-mir.net/show/811/.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ВВОДА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СВЕТОВОД
С ПОМОЩЬЮ СОГЛАСУЮЩИХ МИКРОЛИНЗ
© Идрисов Р.Ф.
Самарский государственный аэрокосмический университет
имени академика С.П. Королѐва
(Национальный исследовательский университет), г. Самара
В данной статье речь пойдѐт об эффективном согласовании входного
лазерного пучка с волоконно-оптическим световодом. Значительную
эффективность ввода излучения можно достичь изменив расходящийся
пучок источника излучения в сходящийся, между его излучающей гранью и приемным торцом волокна помещают согласующую микролинзу.
Ключевые слова: оптические согласующие элементы, микролинзы.
Введение
Одним из важнейших направлений развития современных оптических
технологий является волоконная оптика [1]. Оптические волокна находят
широкое применение в таких областях, как телекоммуникации и связь – для
передачи оптического сигнала на дальние расстояния; промышленное про
Аспирант кафедры Наноинженерии.