Разработка и исследование каталитических нейтрализаторов бензиновых двигателей для автомобилей массой до 3, 5 т, обеспечивающих выполнение экологических требований

Автотранспорт является неотъемлемой частью жизнедеятельности человека. Однако непрекращающийся рост мирового автомобильного парка, особенно в городах и промышленных мегаполисах ведет к глобальному загрязнению окружающей среды вредными выбросами автомобильных двигателей и соответственно к критическому загрязнение атмосферы. Поэтому снижение вредных выбросов с отработавшими газами двигателей автотранспортных средств является одной из наиболее значимых задач для разработчиков и производителей автотранспортных средств. Поэтому производители автотранспортной техники и комплектующих к ней обращают особое внимание на разработку систем и устройств, эффективно снижающих выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Наиболее эффективной и распространенной системой для автомобилей с бензиновым двигателем является бифункциональная система нейтрализации вредных веществ отработавших газов. Каталитический нейтрализатор является основным элементом такой системы.

Принятые Правительством Российской Федерации Концепция развития автомобильной промышленности на период до 2010 г., Специальный технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» предусматривали в 2008 г. полный переход промышленности на выпуск автотехники, соответствующей нормативным требованиям экологического класса 3, и поэтапное совершенствование конструкции выпускаемых автомобилей и в том числе устанавливаемых на них нейтрализаторов с целью достижения к 2012 г. нормативных требований экологического класса 4 (постановление Правительства РФ от 26 ноября 2009 года № 956).

Все это требует постоянного проведения обширных исследований в данной области, постоянного поиска новых технических решений при разработке нейтрализаторов и применения новых материалов с целью повышения эффективности конверсии вредных веществ, повышения надежности и ресурса работы в эксплуатации, а также снижения их стоимости.

Исследования, посвященные данной проблеме, выполнены рядом российских и зарубежных ученых, таких как: Большаков A.M., Бурков В. И., Варшавский И. Л., Данченко Н. М., Ерохов В. И., Звонов В. А., Каменев В. Ф., Кутенев В. Ф., Панчишный В. И., Патрахальцев Н. Н., Терентьев Б. А., Фомин В. М., Хрипач Н. А., Bielaczyc О., Gulati S.T., Morgan C.R. и др.

Выполненные в рамках представленной работы исследования предназначены для совершенствования технико-экономических и экологических показателей новых нейтрализаторов, разрабатываемых для автомобилей волжского, горьковского, ульяновского и ижевского заводов. Исследования проводились в соответствии с планами НИР и ОКР ФГУП «НАМИ», указанных выше автомобильных заводов и кафедры «Автотракторные двигатели» МГТУ «МАМИ».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основе проведенных исследований процессов тепломассообмена во внутрицилиндровом пространстве и в проточном тракте выпускной системы современных бензиновых двигателей на режимах городского цикла движения легковых и грузопассажирских автомобилей категории Ml разработана комплексная методика расчета для определения рациональных места установки нейтрализатора в выпускной системе и его конструктивных параметров, которая включает:

— математическую модель и программу расчета параметров процессов тепломассообмена в бензиновом автомобильном двигателе с учетом особенностей газообмена, в частности, в период перекрытия впускных и выпускных клапанов, на режимах глубокого дросселирования и малых нагрузокматематическую модель и программу расчета параметров нестационарного теплообмена в проточном тракте выпускной системы двигателя с целью определения конструктивных параметров нейтрализатора и выбора оптимального его места расположения в выпускном трубопроводе.

Правильность принятой методологии расчета и адекватность разработанных математических моделей были подтверждены результатами экспериментальных исследований, расхождение данных расчета и эксперимента не превышало 5%.

2. Результаты сравнительных экспериментальных исследований зарубежных и отечественных нейтрализаторов показали, что керамические блоки носители катализатора остаются наиболее распространенными и при оптимальных составах и загрузке металлов платиновой группы обеспечивают автомобилям выполнение действующих и перспективных требований по токсичности и ресурсу.

3. Проведенные экспериментальные сравнительные исследования показали, что оптимизация состава и загрузки драгметаллами блока носителя нейтрализатора может снизить себестоимость нейтрализатора на 20% по сравнению с исходным составом при сохранении эффективности и ресурса работы нейтрализатора.

4. По результатам исследования разработаны два новых типа высокоэффективных нейтрализаторов, которые внедрены в производство на ОАО «АвтоВАЗ» и на сборочных заводах его партнеров.

5. Расчетные и экспериментальные исследования двигателя и газодинамических процессов в его выпускном тракте позволили разработать рекомендации для создания перспективных нейтрализаторов для автомобилей отечественного производства, наиболее близко расположенных к выпускному коллектору ДВС (в подкапотном пространстве автомобиля), обеспечивающих выполнение нормативных требований экологического класса 4.

Заключение

.

Результаты испытаний показали, что разработанный 2 типоразмера нейтрализаторов для автомобилей ВАЗ семейства 2110 и для семейства автомобилей ВАЗ классической компоновки как с платинородиевым катализатором, так и с палладиевородиевым катализатором соответствуют техническим требованиям по эффективности, надежности и долговечности. По всем показателям они не уступают нейтрализаторам, поставляемыми в настоящее время ОАО «АвтоВАЗагрегат», и обеспечивают автомобилям ОАО «АвтоВАЗ» соответствие требованиям экологического класса 3 Технического регламента.

Разработанные типоразмеры новых нейтрализаторов приняты к производству и начата их поставка предприятиям ОАО «АВТОВАЗ» и на сборочные заводы его партнеров, о чем говорит представленный в Приложениях к диссертации Акт внедрения.

5.4. Разработка и исследование нейтрализаторов для автомобилей массой до 3,5 тонн с бензиновыми двигателями, обеспечивающих выполнение требований экологического класса 4 автомобильной техники.

Согласно принятому 12 октября 2005 года специальному техническому регламенту «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» и постановлению Правительства РФ от 26 ноября 2009 года № 956 с 1 января 2012 года в нашей стране будет введен экологический класс автомобильной техники 4, согласно которому категории и подгруппы автомобильной техники Ml, М2 максимальной массой не более 3,5 т, N1 с искровыми двигателями (бензиновыми, газовыми) и дизелями будут руководствоваться нормативными правилами № 83−05 ЕЭК ООН (уровень выбросов В), которые устанавливают экологические требования ЕВРО-4 по европейским стандартам к характеристикам автомобильной техники.

Существующие разработки в области каталитической очистки отработавших газов, в том числе и описанные в данной работе, по конструктивным особенностям не удовлетворяют требованиям экологического класса 4. В результате чего были начаты работы по исследованию и созданию типоразмерного ряда перспективных нейтрализаторов отечественного производства обеспечивающих выполнение перспективных нормативных требований.

В процессе разработки конструкции нейтрализаторов и их доводки необходимо было определить оптимальное место установки нейтрализатора в выпускной системе двигателя. То есть необходимо было из условий компоновки автомобиля определить минимально возможное удаление нейтрализатора от фланцев выпускной системы двигателя. Это позволяет максимально снизить время разогрева нейтрализатора и его выхода на эффективный режим работы (light off) и исключить возможность его перегрева и выхода из строя.

Основываясь на опыте проведения работ по созданию СНОГ, был проведен предварительный теоретический анализ с использованием расчетных методов.

Качественная работа нейтрализатора обеспечивается проведением комплекса исследовательских мероприятий. Помимо эффективной работы каталитического слоя также важна рациональная организация движения потока газа внутри нейтрализатора в целом. Конфигурация выпускного коллектора и труб катколлектора прямым образом определяет гидравлическое сопротивление выпускной системы. Потери энергии потока на вихреобразование и местные сопротивления увеличивают гидравлическое сопротивление, что нежелательно, т.к. возрастает противодавление на выпуске. В настоящее время для решения задач оптимизации широко используются системы автоматического проектирования (САПР), что значительно сокращает продолжительность исследовательских работ.

Исследование газо-аэродинамического состояния газовой среды в проточном тракте нейтрализаторов проводилось (с участием инж. Д.А. Иванова) в программной среде COSMOSFloWorks (рисунок 5.13.). В качестве образцов для испытаний использовались трехмерные модели нейтрализаторов (в сборе с выпускным коллектором) и катколлекторов.

Для исследования СНОГ использовался программный комплекс, реализующий метод конечных объемов (МКО).

Граничные условия задавались следующими параметрами: ® для предварительного расчета в качестве рабочего газа используется воздух, массовый расход ОГ, выходящих из цилиндра, составляет 0,025 кг/сек (при 3000 мин-1) — © предполагаемая температура на входе в нейтрализатор равна 1093 К, ожидаемая температура на выходе принимается равной 893 Кв давление на входе задается равным 105 000 Па, на выходе — ЮЗОООПа;

• аэродинамическое сопротивление блока нейтрализатора не более 500 и 2200 Па при расходе воздуха 0,03 кг/сек и 0,08 кг/сек соответственно;

• в целях упрощения расчета процессы, происходящие внутри реактора, задаются как адиабатные.

Выпуск отработавших газов моделировался из 1, 2, 3 и 4 цилиндров двигателя внутреннего сгорания соответственно.

ТТ.

— won м ssrt .etuu. ымп. «изз. пиит vimitt ьлМ TSOH. easjsi SI IMJ.

H.0 V.

1-t нктцая.

Рис. 5.13. Газодинамическое исследование каталитического нейтрализатора для автомобильной техники экологического класса 4.

1 цилиндр

2 цилиндр 3 цилиндр

4 цилиндр, а входе в ейтрализатор середине ока нейтрализатора, а выходе из ейтрализатора.

Рис 5Л4. Распределение скоростей потоков ОГ в блоке нейтрализатора в плоскости" перпендикулярной направлению движения газа.

Аналогичные теоретические работы были проведены с катколлектором для выявления положительных и отрицательных сторон двух различных конструкций. На рисунках 5.15. и 5.16. показаны результаты газодинамического исследования катколлектора.

Рис. 5.15. Газодинамическое исследование катколлектора для автомобильной техники экологического класса 4.

1 цилиндр

2 цилиндр

На входе в «На выходе из.

60 мм 120 мм катколлектор катколлектора.

Рис. 5.16. Распределение скоростей потоков ОГ в блоке катколлектора в плоскости, перпендикулярной направлению движения газа.

В результате моделирования газодинамических процессов были получены предварительные результаты по выбору места расположения кислородного датчика и распределению отработавших газов в каталитическом блоке.

Эффективность работы кислородного датчика достигается стабильностью показаний и быстродействием системы «датчик — ЭБУ». Под стабильностью показаний подразумевается незначительное отклонение состава ОГ в месте расположения датчика при заданном порядке работы цилиндров.

Быстродействие кислородного датчика обеспечивается высокими скоростями потоков ОГ в точке размещения датчика. В областях с малыми возмущениями потока изменение состава ОГ будет происходить медленно, что снизит быстродействие системы, и корректировка состава рабочей смеси будет происходить с задержкой.

По распределению потока ОГ внутри каталитического блока нейтрализатора можно судить об эффективности использования внутреннего объема.

По результатам газодинамического исследования можно сделать следующие выводы: в конструкции выпускного коллектора первого образца нет элементов с высокими местными сопротивлениями, но при этом присутствует вихреобразование (особенно ярко выражено при течении ОГ из 1-го и 4-го цилиндров). о в конструкции катколлектора из местных сопротивлений присутствует 90-градусный поворот канала с расширением на участке примыкания выпускных патрубков 1-го и 4-го цилиндров с цилиндрическим корпусом катколлектора.

При исследовании новых нейтрализаторов, представленных на рисунке 5.17 (а, б), были проведены предварительные испытания на моторном стенде, фотоматериалы которых представлены на рисунке 5.17 (в).

175 в).

Рис. 5.17. Перспективные разработки нейтрализаторов для автомобилей экологического класса 4.

Результаты проведенных предварительных испытаний каталитического нейтрализатора и катколлектора представлены на рисунке 5.18. с еs s хоо о.

•СО.

40 60 времялгогООН.

NOx о.

О" S.

С fr S.

§.

60 о.

СО.

40 60 вр*мя.час.

— Я-СН.

NOx.

Рис. 5.18. Предварительные испытания нейтрализаторов для автомобилей экологического класса 4.

Работы по созданию перспективных систем нейтрализации отработавших газов отечественного производства для автотранспортных средств экологического класса 4 включают также исследования на надежность, эффективность и ресурс, которые проводятся в ФГУП «НАМИ» и имеют положительные аспекты для создания серийных образцов.