Проект комплексного автотранспортного предприятия на 401 автомобиль ПАЗ-3205

коагулированные частицы  способны образовывать хлопьевидные конгломераты сажи больших размеров (0,2—1 мкм), которые за короткое время рабочего цикла двигателя не успевают полностью выгореть. Присутствие водорода препятствует поверхностному росту сажистых частиц (водородное торможение по Лангмюру), что ускоряет процесс их последующего дожигания. Кроме того, химически не связанный водород интенсифицирует процессы выжигания сажистых частиц в заключительной фазе цикла благодаря образованию воды, выступающей в данном случае в роли окислителя углерода в реакции "мокрой газификации".

Следовательно, участие  в рабочем цикле водородосодержащих присадок способствует качественному улучшению экологический показателей дизеля, по крайней мере, по двум основным компонентам ОГ – оксиду азота и сажи, которые в совокупности определяют суммарную токсичность ОГ дизеля.

В количественном отношении  эффективность может быть оценена экспериментально.

Снижение сажевыделения  в дизеле путем применения присадки водорода позволит улучшить топливную экономичность двигателя также вследствие снижения тепловых потерь, обусловленных процессом сажеобразования.

Данные теплопотери  имеют три составляющие. Во-первых, основная масса сажи выгорает на линии расширения, отчего выделяющаяся при этом теплота используется малоэффективно. Во-вторых, несгоревшая в цилиндрах дизеля сажа представляет собой недожог топлива и является составной частью продуктов неполного сгорания. В-третьих, из-за интенсивного сажевыделения в рабочем пространстве дизеля значительно возрастают потери тепловой энергии, связанные с конвективным и радиационным теплообменами. Применение же водородосодержащих присадок способствует снижению всех перечисленных потерь, тем самым, повышая топливную экономичность дизеля.

Приведенные механизмы  влияния водородосодержащих присадок на внутрицилиндровые процессы дизеля, безусловно, не являются исчерпывающими. Не исключаются и другие виды воздействия на сложный механизм рабочего цикла дизеля. Однако при всех преимуществах использования водорода в дизелях транспортных средств возникает ряд трудностей. Основной проблемой применения чистого водорода является отсутствие инфраструктуры его производства, средств хранения, транспортировки и заправки автомобилей. Сегодня не выпускаются малогабаритные емкости для водорода, устанавливаемые на автомобили.

Известны следующие  способы хранения водорода: сжатый газ в баллонах высокого давления, сжиженный водород в криогенных резервуарах и водород в связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах. Даже наилучший из них по энергоплотности — криогенный уступает по этому показателю нефтяным топливам в несколько раз, не говоря уже о том, что в техническом отношении он значительно сложнее систем хранения и транспортировки жидких нефтяных топлив.

Современные системы  хранения водорода не подходят для  автотранспорта либо вследствие малой  емкости, либо вследствие технической сложности и недостаточной безопасности при эксплуатации и аварийных ситуациях.

Одним из наиболее приемлемых вариантов является способ, в котором  в качестве энергоносителя используется не сам водород, а безопасный и удобный при хранении сырьевой продукт, из которого непосредственно на автомобиле путем термохимического преобразования можно получать газообразные продукты с высоким содержанием водорода. Для этого может быть использовано любое традиционное нефтяное топливо, поскольку массовое содержание водорода в нем составляет около 15 %.

Однако возникает ряд  серьезных проблем: высокая температура  диссоциации (конверсии) этого вида жидких углеводородов обусловливает необходимость дополнительных затрат тепловой энергии на организацию конверсионного процесса; наличие серы в моторном топливе исключает возможность использования катализаторов, а большое относительное содержание инертных компонентов в составе целевых продуктов конверсии создает дополнительные сложности при их применении.

Применение метанола

Сложности, связанные  с организацией процесса конверсии традиционных моторных топлив, обусловливают необходимость поиска других сырьевых источников для получения водородосодержащих газов. К ним можно отнести углеводородные соединения, имеющие более простую по сравнению с моторными топливами молекулярную структуру и пониженную температуру диссоциации. При этом более предпочтительными для применения в ДВС являются соединения, имеющие температуры диссоциации и тепловых эффектов в эндотермических реакциях разложения (тепловая энергия, необходимая на преодоление внутримолекулярных связей), соизмеримые с температурой ОГ. В этом случае появляется возможность использования "бесплатной" теплоты и пропадает необходимость в дополнительном источнике энергии.

Подобными свойствами обладают спирты и ряд эфиров. Этиловый и  особенно метиловый спирты уже давно  применяются в ДВС в качестве частичных заменителей традиционных топлив. В настоящее время проводятся работы по изучению возможности использования спиртов в качестве основного топлива для дизелей. Однако перевод автомобиля на спиртовое топливо, например, метанол в ближайшем будущем маловероятен из-за его неудовлетворительных химмотологических свойств и, в первую очередь, низкого цетанового числа (менее 5).

Получение водородосодержащего  газа из метанола изучено достаточно хорошо. Применительно к двигателям подобные исследования нашли свое отражение относительно недавно, в основном, для двигателей с искровым зажиганием.

В процессе поиска способов получения водородных смесей на борту транспортного средства на основе каталитической конверсии метанола и использования их в ДВС уже накоплен опыт, который может быть успешно использован при создании относительно недорогих систем, не уступающих по энергоемкости традиционным системам питания и значительно их превосходящих по экологическим качествам.

Улучшение экономических  и экологических показателей двигателей при работе на водородных смесях, получаемых из метанола на борту автомобиля, полностью компенсируют дополнительные затраты на оборудование для получения и подачи водородной смеси в двигатель.

Возможность синтезирования водорода из метанола, для получения  которого имеются достаточные ресурсы  в виде отходов деревообрабатывающей и пищевой промышленности, делает его перспективным энергоносителем, что предопределяет расширение работ по созданию нового поколения двигателей.

Процесс конверсии метанола сопровождается поглощением тепловой энергии, которая расходуется на предварительный нагрев и испарение метанола, подогрев паров метанола до требуемой температуры начала реакции и на проведение самой эндотермической реакции разложения метанола. В результате термохимического преобразования энергосодержание конвертированной водородной смеси увеличивается по сравнению с метанолом на 20 % (теплота сгорания метанола 20 МДж/кг, водородной смеси 24 МДж/кг).

В ходе конверсионного процесса часть энергии ОГ двигателя преобразуется  и может быть повторно использована. Реализация подобного способа утилизации теплоты ОГ для увеличения энергоемкости топлива позволяет значительно повысить КПД двигателя.

Для проверки возможности  совершенствования экологических и топливно-экономических показателей дизеля путем применения присадки и продуктов конверсии метанола были проведены исследования на моторном стенде с дизелем 1Ч 8/7,5, в систему питания которого входил реактор конверсии метанола. Испытания показали, что снижение содержания сажи и оксидов азота в ОГ и повышение эффективного КПД двигателя наблюдалось во всем диапазоне нагрузочных режимов. На режиме, близком к номинальному ( = 0,55 МПа), добавление к воздушному заряду 0,4 % продуктов конверсии метанола способствовало повышению КПД дизеля на 4,5 % и снижению содержания сажи в ОГ с 3,2 до 1,8 ед. Бош, т. е. на 44 % при уменьшении концентрации в ОГ оксидов азота на 16%.

В то же время участие  в сгорании топливно-воздушной смеси добавленных к ней продуктов конверсии метанола обусловило рост, хотя и не значительный, выбросов с ОГ монооксида углерода (СО). Это можно объяснить тем, что часть СО, поступившего в цилиндр со свежим воздушным зарядом, не успевает окислиться вследствие наличия в камере сгорания дизеля "холодных" пристеночных зон. Вместе с образующимся при сгорании основного топлива СО формируется более высокий суммарный фон эмиссии по данному компоненту ОГ.

Пониженное содержание сажи в ОГ дизеля, работающего с добавками конверсионных продуктов, предопределяет возможность его форсирования по дымлению.

Эффективное функционирование конверсионной системы обеспечивается подводом необходимого количества тепловой энергии и поддержанием необходимой температуры в рабочей камере каталитического реактора, тем самым могут быть достигнуты наибольшая степень термохимического преобразования метанола и максимальная конверсия:

где — масса метанола, поступившего в реактор; — масса непрореагировавшего метанола.

Так как в реальных условиях на автомобильном двигателе могут возникнуть ситуации, при которых процесс преобразования метанола не может быть полностью завершен, например, вследствие недостаточной температуры, возникает вопрос о влиянии несовершенства процесса конверсии ( 100 %) на показатели двигателя. При неполной конверсии метанола в продуктах термохимического преобразования будут содержаться пары непрореагировавшего спирта. Например, при конверсии метанола на 25 % продукты его термокаталитического преобразования представляют собой парогазовую смесь, в составе которой содержатся пары непрореагировавшего метанола (примерно 75 %), а также водород и монооксид углерода (25 %).

Разница состава добавленных  к рабочему телу продуктов неполной конверсии метанола приводит к изменению характера их воздействия на экономические показатели рабочего цикла дизеля.

Во-первых, уменьшается  интенсивность самого воздействия. Во-вторых, меняется качество воздействия. В частности, на высоких нагрузках с увеличением концентрации в заряде парогазовой смеси наблюдается рост КПД дизеля, на средних нагрузках активирующего эффекта практически не наблюдается, а на малых нагрузках по мере увеличения относительного содержания в заряде продуктов неполной конверсии метанола термодинамическая эффективность цикла даже падает. Подобного характера влияние на рабочий процесс дизеля оказывают пары метанола при их введении через впускной тракт.

Различие в характере  воздействия продуктов неполной и полной конверсии метанола обусловлено неодинаковым содержанием водорода. Кроме того, большое количество непрореагировавшего метанола в продуктах неполной конверсии не только способствует активизации

процесса сгорания, но и частично его ингибирует вследствие того, что скорость и температура  сгорания метанола значительно ниже по сравнению с дизельным топливом.

Анализ влияния на экологические показатели дизеля продуктов неполной конверсии метанола ( = 25 %) показал, что эффективность воздействия частично конвертированных продуктов метанола (содержание паров спирта 75 %) снизилась по сравнению с воздействием продуктов полной конверсии при сохранении характера воздействия.

Применение продуктов  неполной конверсии метанола, как и в случае полной конверсии, способствует снижению и С при повышении содержания в ОГ СО.

На номинальном режиме работы дизеля добавление 0,4 % продуктов полной конверсии метанола способствует улучшению экологических показателей двигателя по суммарному показателю токсичности ОГ на 32 %, а при использовании продуктов неполной конверсии ( = 25 %) - на 15 %.

Учитывая, что запасы природного углеводородного топлива небезграничны, при дальнейшем совершенствовании конверсионных систем двигателестроительная отрасль может получить возможность радикального решения топливно-энергетической проблемы путем полной замены традиционных нефтяных топлив продуктами переработки сырья растительного происхождения, в том числе и метанолом, так как аккумулирующая солнечную энергию биомасса является практически неограниченной сырьевой базой для получения экологически чистого моторного топлива.

По результатам исследований можно сделать вывод: применение метанола в диссоциированном виде на дизелях в качестве добавок (присадок) дает возможность совершенствования их экологических и экономических показателей. Реализация данного эффективного способа улучшения показателей двигателей не влечет за собой изменения его конструкции, является простой и экономичной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В ходе курсового проектирования, согласно заданию, было спроектировано АТП на 401 автомобиль ПАЗ-3205 с детальной  разработкой агрегатного отделения. В процессе разработки курсового  проекта мы ознакомились с назначением  и структурой проектируемого предприятия, произвели технологический расчет предприятия, где решали такие задачи, как обоснование и корректировки исходных данных, расчет производственной программы  по ТО и ТР автомобилей, расчет численности работающих, водителей, ИТР, выбор метода организации ТО и расчет постов ТО, ТР, Д; провели расчет площадей производственных, складских и административно-бытовых помещений, зоны хранения автобусов. Ознакомились с организацией технологического процесса ТО и ТР автомобилей, составом текущей службы, общей организацией технологического процесса, с организацией административной связи подразделений технической службы. Произвели технико-экономическую оценку предприятия. Ознакомились с организацией технологического процесса в агрегатном отделении, подобрали и растравили оборудование. В специальном задании изучено влияние присадок к топливу на экономические и экологические показатели ДВС