Исследование и анализ методов снижения выбросов двигателей внутреннего сгорания в г. Алматы

Рост населения города влечет за собой и увеличение числа автомобилей, что в свою очередь приводит к увеличению вредных выбросов в атмосферу. Это может привести к серьезным проблемам для окружающей среды и здоровья граждан. В данной статье проведен анализ аспектов влияния существующих методов контроля автомобильных выбросов и даны практические рекомендации по улучшению состояния воздуха в г. Алматы.

Ключевые слова: исследование, анализ, выбросы двигателей внутреннего сгорания, нейтрализация выхлопных газов.

Двигатель внутреннего сгорания — разновидность теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. Продукты сгорания образуют рабочее тело. Такой двигатель является первичным, химическим, и преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу. Двигатели внутреннего сгорания широко используются не только в автомобилях, но и в различных видах транспорта в целом, не говоря о промышленных приложениях. Они обладают высокой мощностью, хорошим крутящимся моментом и достаточной эффективностью, что делает их популярным выбором для большинства транспортных и энергетических потребностей. Не смотря на перечисленные преимущества и популярность двигателей внутреннего сгорания, они имеют ряд недостатков, и одним из главных из них является выбросы вредных веществ. Двигатели внутреннего сгорания являются источниками таких выбросов как углекислый газ, оксиды азота и твердые частицы. [1]

Загрязнение воздуха является одной из глобальных экологических угроз. Алматы попал в число 100 самых опасных для экологии городов мира, заняв в нём 95 место ещё в 2019 году. Например, по данным Казгидромета, в начале марта в Алматы в 367 раз превышались предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ. Как известно, основными источниками загрязнения атмосферного воздуха в Алматы являются автотранспорт, предприятия энергетики и негазифицированный частный сектор. [2]

Опираясь на данные Комитета экологического регулирования и контроля Министерства экологии и природных ресурсов РК (табл.1), мы можем наблюдать, что в городе только на начало года было зарегистрировано 11 случаев высокого загрязнения. [3]

Таблица 1

Сведения о случаях высокого загрязнения и экстремально высокого загрязнения атмосферного воздуха в г.Алматы на начало 2023 года.

В качестве методов снижения вредных выбросов в атмосферу предлагаются различные методы. Основные методы — это использование каталитических нейтрализаторов и система рециркуляции выхлопных газов, однако для эффективности данных методов, необходимо использование качественного топлива. Экологичность автомобилей определяется по принципу чем меньше углеводородного топлива потребляет машина, тем меньший экологический ущерб наносится атмосфере отработавшими газами. Аналогичный эффект дает повышение равномерности движения автомобиля. Однако в условиях города, особенно в мегаполисах, осуществить это мероприятие очень трудно. Эффективным способом повышения полноты сгорания топлива, а, следовательно, экономичности и одновременно экологичности работы двигателя является совершенствование процесса топливоподачи. В настоящее время применяется впрыск топлива форсунками в цилиндры под высоким давлением или так называемые инжекторные системы подачи топлива. Основная задача этих систем — как можно лучше распылить жидкое топливо для хорошего смесеобразования с воздухом и последующего более качественного сжигания смеси. [5]

В настоящей статье [4] описывается экспериментальное исследование, в котором рассматривалось влияние температуры прямого впрыска воды на процесс сгорания и тепловую эффективность в CI-ICRC, прототип испытательного стенда двигателя CI-ICRC создан путем модификации традиционного дизельного двигателя. Устанавливая независимую O ₂ /CO _2, система впуска смеси и система впрыска общей магистрали под высоким давлением, установлен и внедрен контроллер собственной разработки, анализируя результаты экспериментов, можно сделать следующие выводы:

1. Использование прямого впрыска воды в рамках CI-CIRC приводит к отложенному сгоранию в цилиндрах, поэтому снижается максимальное давление в цилиндрах и максимальная скорость нарастания давления в цилиндрах, что полезно для оптимизации механической нагрузки в рамках CI-ICRC.
2. Прямой впрыск воды способствует увеличению работы при циклическом расширении и уменьшению работы при циклическом сжатии, что приводит к увеличению указанного среднего эффективного давления и термической эффективности тормоза. Механизм увеличения работы при циклическом расширении заключается в быстром образовании пара, который действует как дополнение к увеличению рабочей жидкости. Максимальная полученная термическая эффективность тормоза. в этом исследовании составляет 46,6 %.
3. В отличие от обычных двигателей с впуском воздуха, прямой впрыск воды помогает снизить коэффициент вариации за счет оптимизации интенсивного кислородно-топливного сгорания, поскольку присутствие воды в цилиндре увеличивает объемную теплоемкость цилиндра и снижает скорость диффузионного сгорания.
4. Прямой впрыск воды показывает негативное влияние на выбросы CO и HC, поскольку температура в цилиндрах и распространение пламени ухудшаются, в то время как пониженная температура в цилиндрах приводит к снижению выбросов NO _х . По оценкам, выбросы NO _х образуются из-за утечки воздуха из картера.
5. Выбросы сажи при прямом впрыске воды значительно ниже по сравнению с сухим циклом, поскольку ожидается, что термолиз воды или реакции углерода с водой будут происходить при высокой температуре в цилиндре, а прямые доказательства этого механизма необходимо доказать в будущем химико-кинетическом исследовании.

Для изучения процесса впрыска топлива в камеру сгорания, описываемого выше, существует множество разных программ. Программа SimFlow 4.0, например, позволяет наглядно посмотреть, что представляет из себя этот процесс а так же определить изменение интересующих параметров и проследить на каком промежутке времени происходит интенсивное горение. (Рисунок 1.) [6]

Рис. 1. Моделирование камеры сгорания

Посредством виртуального эксперимента, проведенного благодаря программе, можно определить какие параметры стоит соблюсти для эффективного использования топлива, что в свою очередь не только дает экономию ресурсов, но и возможно положительно скажется на окружающей среде при осуществлении данного эксперимента в настоящем времени.

В заключении исследовательской статьи, можно подчеркнуть эффективность и перспективность использования инжекторных систем подачи топлива. Результаты исследования позволяют сделать вывод о значительном потенциале данного метода в сокращении выбросов вредных веществ в атмосферу, что является критически важным в контексте экологических проблем современных городов.

Важно отметить, что успешная реализация инжекторных систем подачи топлива требует не только технического совершенства, но и поддержки со стороны государственных и муниципальных органов, а также принятия регулятивных мер, направленных на стимулирование перехода к экологически более чистым видам автотранспорта.

Использование инжекторных систем подачи топлива открывает перед городом Алматы перспективы для устойчивого развития и создания более благоприятной экологической обстановки в регионе.

Литература:

1. Делягин Г. Н., Лебедев В. И., Пермяков Б. А. Теплогенерирующие установки: Учеб. для вузов. — М.: Стройиздат, 1986. — 559 с
2. https://kz.kursiv.media/2023–10–17/
3. https://kazhydromet.kz/uploads/files_calendar/3223/file/64128715125d5rk-fevral-2023-russ.pdf
4. Бадалян Л. Х., Гапонов В. Л. Анализ выбросов загрязняющих веществ автотранспортом // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды: Межвуз. сб. науч. тр., вып. 4 (междунар.). — Ростов н/Д.: РГАСХМ, 2000. — С. 29.
5. Z. Kang, Z. Wu, J. Deng, Z. Hu, L. Li. Effect of direct water injection temperature on combustion process and thermal efficiency within compression ignition internal combustion Rankine engine. — 2020. — Vol. 211. — P. 281–302.
6. https://help.sim-flow.com/tutorials