Введение 5
1 Экологические стандарты «Евро» для легковых автомобилей с
бензиновыми двигателями 8
1.1 Экологический стандарт «Евро-0» 10
1.2 Экологический стандарт «Евро-1» 10
1.3 Экологический стандарт «Евро-2» 11
1.4 Экологический стандарт «Евро-3» 11
1.5 Экологический стандарт «Евро-4» 12
1.6 Экологический стандарт «Евро-5» 12
1.7 Экологический стандарт «Евро-6» 13
1.8 Выводы по разделу экологические стандарты «Евро» для
легковых автомобилей с бензиновыми двигателями 14
2 Обзор токсичных веществ в отработавших газах транспортных
средств 15
2.1 Основные компоненты выхлопных газов автомобилей 15
2.2 Процессы образования основных токсичных веществ в двигателе 17
2.2.1 Оксид углерода 17
2.2.2 Углеводороды 18
2.2.3 Оксиды азота 19
2.2.4 Твердые частицы 20
2.3 Процесс сгорания топлива в двигателе 20
2.4 Выводы по разделу обзор токсичных веществ в отработавших
газах транспортных средств 22
3 Альтернативные виды топлива 24
3.1 Свойства альтернативных видов топлива 24
3.2 Энергозатраты для производства альтернативных видов топлива 25
3.3 Природный газ как альтернативное топливо для транспортных средств 26
3.4 Физико-химические свойства сжатого природного газа для
двигателей внутреннего сгорания 27
3.5 Технико-эксплуатационные показатели автотранспортных
средств, работающих на сжатом природном газе 29
3.6 Выводы по разделу альтернативные виды топлива 30
4 Обзор легковых транспортных средств на сжатом природном газе 32
4.1 Обзор легковых автомобилей российского производства 34
4.2 Обзор легковых автомобилей Lada, работающих на сжатом
природном газе 35
4.3 Обзор двигателя ВАЗ-21129 38
4.4 Выводы по разделу обзор легковых транспортных средств на
сжатом природном газе 41
5 Проектирование и расчет двигателя в программном комплексе «Wave
Ricardo» 42
5.1 Сравнение основных характеристик проектируемого
бензинового двигателя с показателями двигателя ВАЗ-21129 43
5.2 Соотношения токсичности ОГ 46
5.3 Расчет количества оксидов азота NOx в отработавших газах
двигателя при работе на бензине 47
5.4 Расчет количества угарного газа CO в отработавших газах
двигателя при работе на бензине 50
5.5 Расчет количества углеводородов CH в отработавших газах
двигателя при работе на бензине 52
5.6 Сравнение основных характеристик двигателя на сжатом
природном газе с показателями бензинового двигателя 54
5.7 Анализ и сравнение динамических характеристик двигателей
автомобилей Lada Vesta и Lada Vesta CNG 56
5.8 Расчет количества оксидов азота NOx в отработавших газах
двигателя при работе на сжатом природном газе 57
5.9 Расчет количества угарного газа CO в отработавших газах
двигателя при работе на сжатом природном газе 59
5.10 Расчет количества углеводородов CH в отработавших газах
двигателя при работе на бензине 61
5.11 Выводы по разделу проектирование и расчет двигателя в
программном комплексе «Wave Ricardo» 63
Заключение 65
Список используемых источников 70
Приложение А Общие расчетные показатели двигателя при работе на бензине 74
Приложение Б Общие расчетные показатели двигателя при работе на сжатом природном газе 76
Актуальность работы и научная значимость настоящего исследования.
Сжатый природный газ вызывает все больший интерес в качестве альтернативного топлива для транспортных средств и стационарных двигателей, которые используют бензин и дизельное топливо. Причинами использования природного газа являются его высокая распространенность, низкая цена, снижение выбросов токсичных газов и твердых частиц по сравнению с другими видами ископаемого топлива. Под токсичностью выбросов двигателей внутреннего сгорания подразумевают способность отработавших газов двигателя оказывать вредное воздействие на живые организмы и окружающую среду. Такое влияние определяется составом токсичных веществ, их физико-химическими законами превращения, геофизическими законами распространения токсичных веществ и чувствительностью организмов. [1]. Поэтому исследования токсичности двигателей на альтернативных топливах является актуальной задачей современных исследований.
Анализ токсичности двигателя на сжатом природном газе при современной тенденции развития применения альтернативных источников топлива показывает актуальность данной работы.
Объект исследования: двигатель внутреннего сгорания, работающий на сжатом природном газе.
Предмет исследования: соответствие токсичности двигателя на сжатом природном газе современным нормам токсичности.
Целью работы является анализ соответствия токсичности двигателя на сжатом природном газе современным нормам токсичности.
Гипотеза исследования состоит в том, что в мире происходит систематическое ужесточение экологических требований к производству и эксплуатации автотранспортных средств, в том числе на сжатом природном газе, поэтому анализ и контроль токсичности газовых транспортных средств станет неотъемлемой части при разработке новых моделей двигателей, работающих на сжатом природном газе.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
1. Провести разработку виртуальной модели двигателя на сжатом природном газе, схожего по характеристикам к серийно выпускаемым моделям.
2. Провести расчет виртуальной модели двигателя и выполнить анализ содержания вредных веществ в отработавших газах
Методы исследования: метод экспериментального исследования, метод статистической обработки результатов эксперимента и моделирования рабочего процесса.
Научная новизна исследования заключается в определении токсичности двигателя путем расчетов в программном комплексе и выявление соответствия к установленным мировым требованиям.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течение всего исследования. Его результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах:
- на семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления» в 2019 и 2020 г.
- на международной научно-практической конференции:
«Актуальные вопросы образования и науки» (Тамбов, 30 апреля 2020 г.).
- опубликована научная статья: Определение продолжительности процесса сгорания по изменению показателя политропы в ДВС с искровым зажиганием // Научный альманах. 2020. №4-1 (66). С. 72-76. Объем статьи 0,31 усл. печ. л.
На защиту выносятся:
- расчетная модель двигателя на сжатом природном газе;
- сравнение динамических характеристик двигателей на бензине и на сжатом природном газе;
- анализ содержания токсичных компонентов в отработавших газах расчетного двигателя.
Структура магистерской диссертации. Диссертации состоит из введения, 5 разделов, заключения с основными результатами и выводами, содержит 22 рисунка, 28 таблиц, списка использованных источников (24 источника), 2 приложения. Основной текст изложен на 77 страницах.
В работе рассмотрены современные нормы токсичности бензиновых двигателей внутреннего сгорания, приведен анализ действующих экологических норм в Российской Федерации и Европейском союзе, регулирующие содержание вредных выбросов в отработавших газах бензиновых двигателей. Проведен детальный анализ состава отработавших газов двигателей с подробным описанием ключевых токсичных компонентов и природой процесса их образования при работе силового агрегата.
В исследовании проведен анализ видов альтернативного топлива, физико-химических свойств и процессов их горения, приведены затраты на производство перспективных топлив для двигателей транспортных средств. Основное внимание уделено сжатому природному газу как одному из наиболее перспективных альтернативных топлив, рассмотрены его физико-химические свойства, приведены положительные и отрицательные стороны использования природного газа в качестве топлива в транспортных средствах. Выполнен обзор легковых автомобилей, работающих на сжатом природном газе и производимых серийно, в частности подробно разобраны конструкция и технические характеристики автомобилей Lada, работающих на сжатом природном газе, и их двигателей.
Для проведения анализа токсичности двигателя, работающего на сжатом природном газе, была спроектирована виртуальная модель рядного шестнадцати клапанного двигателя с расчетами системы впуска, газораспределительного механизма, шатунно-поршневой группы и системы выпуска. Выполнены измерения содержания основных токсичных веществ (NOx, CO, HC) выхлопных газов виртуальной модели двигателя при работе на бензине и сжатом природном газе, выполнен сравнительных анализ двух режимов работы двигателя.
Результаты исследования показали, что использование сжатого природного газа в качестве альтернативного топлива ведет к значительному сокращению выбросов токсичных веществ при работе двигателя и соответствию современным нормам токсичности, принятым в Российской Федерации и Европейском союзе. При этом применение сжатого природного газа обеспечивает безопасность при использовании на автотранспортных средствах и увеличение их технико-эксплуатационных характеристик при незначительном снижении динамических характеристик.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
