В настоящее время горнодобывающая промышленность во многом характеризуется использованием мощного самоходного оборудования с приводом от дизелей. Вопросам безопасности труда в нашей стране придается приоритетное значение. Ужесточаются требования по охране труда на пороге вступления Казахстана в ВТО. Многочисленными научно-исследовательскими институтами, производственными предприятиями и санитарно-эпидемиологическими учреждениями проведены целые комплексы исследований в этой области. В настоящее время создано большое разнообразие газоочистительной аппаратуры для двигателей внутреннего сгорания. Постоянно проводятся работы по изысканию путей, позволяющих снизить выход токсичных компонентов непосредственно из цилиндров дизеля. Использование этих мероприятий дает положительный эффект, однако и в этом случае в рудничную атмосферу выбрасываются вредные вещества в концентрациях, значительно превышающих санитарные нормы для рудничного воздуха. Это сильно затрудняет эксплуатацию самоходного оборудования с приводом от дизелей, особенно при его массовом использовании, так как вынуждает подавать большое количество свежего воздуха для поддержания рудничной атмосферы в пределах санитарных норм. в некоторых горно-геологических условиях по этим причинам использование дизельного оборудования невозможно.
В связи с этим, для подземных рудников одной из задач первостепенной важности и в настоящее время остается изыскание, исследование и внедрение более эффективных способов и средств снижения токсичности отработавших газов дизельного оборудования. Более того, актуальность решения этой проблемы возрастает вследствие необходимости значительного расширения в ближайшем будущем области и объемов внедрения самоходного оборудования на предприятиях горнодобывающей промышленности.
Одним из ядовитых токсических компонентов отработавших газов в ДВС являются оксиды азота. Известно, что токсичность оксидов азота по действию на живой организм в 10 раз выше, чем токсичность угарного газа. При разработке модели образования оксидов азота было принято, что оксиды азота являются продуктом реакции окисления азота в зоне продуктов сгорания.
Окисление атмосферного и содержащегося в топливе азота происходит по цепному механизму:
зарождение цепи
N2 + О 
NО + N – 316 кДж/кмоль;
продолжение цепи
N + О2 
NО + О –136 кДж/кмоль.
Определяющей является первая реакция, скорость которой зависит от концентрации в цилиндре дизеля атомарного кислорода. При максимальных температурах цикла в цилиндре двигателя образуется только оксид азота NО, который в выпускном тракте двигателя при наличии кислорода в ОГ окисляется до NО2:
2NO + О2 
2NO2.
Рециркуляция увлажненных ОГ в цилиндры двигателя снижает образование оксидов азота. При определенном количестве молекул паров воды в цилиндре двигателя оксиды азота вообще образовываться не будут, так как молекулы воды будут надежно «защемлять» молекулы азота от столкновения с атомарным кислородом [1]. В то же время атомарный кислород быстро расходуется во взаимодействии с молекулами воды, образуя при этом насыщенную молекулу О2 по схеме:
Для полного устранения образования оксидов азота необходимо в реагирующей смеси иметь такую концентрацию паров воды, которая располагала бы суммарным молекулярным эффективным сечением для соударений, равным или большим суммарного эффективного сечения молекул азота. Этот вывод можно записать в виде неравенства:
(1)
где 
и 
– эффективное сечение молекул азота и воды; N2 и 
– концентрация молекул азота и воды.
Окончательная формула определения количества подаваемой воды в цилиндры двигателя для полного устранения образования оксидов азота имеет вид:
(2)
где 
– часовой расход азота,
(3)
Доля диссоциации паров воды находится из уравнения:
(4)
где 
– суммарное количество паров воды, кмоль/ч; ΣM – суммарное количество молей продуктов сгорания, которое приближенно определяется как сумма расхода двигателем воздуха и дополнительно подаваемой воды, кмоль/ч; Pср – среднее давление сгорания, МПа; Kр – константа равновесия диссоциации молекул воды приданной температуре.
Степень диссоциации паров воды также определяется, используя выражение:
(5)
где K – константа равновесия; P – парциальное давление, МПа.
Количество паров воды, получаемое при полном сгорании топлива при известном химическом составе по массе:
(6)
и при известной молекулярной массе топлива:
(7)
Количество молей воды, поступающих с влажным воздухом:
(8)
Влагосодержание окружающего воздуха при заданной температуре определяется с использованием выражения:
(9)
Давление насыщенного водяного пара определяется с использованием выражения:
(10)
При известных количествах дополнительно подаваемой в цилиндры двигателя воды , можно определить число «нейтрализованных» молей азота. Обозначим их через 
, тогда:
(11)
Количество молей азота, «способных» образовывать оксиды, определится как разность 
.
Количество молей кислорода определим по выражению
(12)
При проведении расчетов по образованию оксидов азота примем бимолекулярную реакцию
N2 + O2 
2NO
При условии достижения равновесия скорости прямой и обратной реакции, кинетическое уравнение равновесных концентраций оксида азота будет иметь вид:
(13)
Приняв выражение для констант равновесия, получим:
(14)
После преобразования выражения оно приводится к виду квадратного уравнения:
(15)
где
(16)
(17)
(18)
где 
, см3/(моль∙с); Т – результирующая температура цикла.
Подставляя в уравнение значения общего количества кмолей азота и количества кмолей «способных» к образованию оксидов и решив квадратное уравнение, определим содержание кмолей оксида азота в отработавших газах при работе дизеля без рециркуляции и с рециркуляцией увлажненных отработавших газов.
Таким образом, по данной математической модели, зная наличие кмолей воды в цилиндре дизеля, можно количественно оценить выброс оксидов азота при работе его по любому из ранее перечисленных процессов.
Осуществление автоматического регулирования рециркуляцией отработавших газов (ОГ) на дизельных двигателях представляет ряд трудностей:
во-первых, в выборе способа управления перепускным органом;
во-вторых, в определении требуемого закона регулирования, который обеспечил бы оптимальную рециркуляцию ОГ;
в-третьих, в создании устройства, позволяющего осуществить такое регулирование на реальной машине. При этом необходимо учесть, что рециркуляция ОГ будет оптимальной только в том случае, если удастся создать устройство, которое обеспечивало бы определенный и постоянный избыток кислорода в цилиндрах дизеля на всех возможных режимах его работы.
Таким образом, разработка автоматического устройства частичной рециркуляции ОГ для дизеля Д-240 должна включать в себя ряд последовательных этапов, обеспечивающих создание работоспособной конструкции для использования ее непосредственно на подземной машине.
Выбор способа управления рециркуляцией ОГ и рациональной схемы устройства основывался на технико-экономическом анализе работ по автоматическому регулированию рециркуляцией ОГ на дизельных двигателях. При этом определено, что наилучшим способом управления рециркуляцией ОГ является способ управления по положению рейки топливного насоса, косвенно определяющего нагрузку на дизеле.
Возможность управления рециркуляцией ОГ в зависимости от хода рейки топливного насоса подтверждается в ряде работ и обусловлено тем, что характер изменения параметров рабочего процесса и токсичности ОГ при рециркуляции мало зависит от скоростного режима работы дизеля и определяется, в основном, нагрузкой на двигателе и количеством перепускаемых газов. При этом само устройство должно удовлетворять следующим требованиям:
● регулирование рециркуляцией ОГ должно осуществляться по заданному закону в зависимости от хода рейки топливного насоса дизеля;
● компактность и простота конструкции;
● надежность и безопасность при эксплуатации.
Наиболее приемлемой является схема автоматического устройства частичной рециркуляции отработавших газов дизеля, представленная на рисунке. Устройство состоит из датчика, выполненного в виде дифференциального трансформатора (ДТ) 2, подвижный сердечник 11 которого взаимодействует с рейкой топливного насоса, ферродинамического преобразователя (ПФ) 3 с подвижной рамкой 13; усилителя 4; преобразователя напряжения 5; реверсивного двигателя 6; кинематической передачи 7 и перепускной заслонки 8, встроенной в перепускную трубу 9. Реверсивный двигатель, перепускная заслонка и рамка ПФ кинематически связаны между собой, поэтому ферродинамический преобразователь в схеме выполняет роль сравнительного устройства, следящего за перемещением рейки топливного насоса дизеля и положением, в котором находится перепускная заслонка.
Принципиальная схема автоматического устройства частичной рециркуляции отработавших газов ДВС: 1 – топливный насос, 2 – дифференциальный трансформатор, 3 -ферродинамический трансформатор, 4 – усилитель, 5 – преобразователь напряжения, 6 – реверсивный двигатель, 7 – кинематическая передача, 8 – перепускная заслонка, 9 – перепускная труба, 10 – рейка топливного насоса, 11 – подвижный сердечник, 12 – вторичная обмотка трансформатора, 13 – рамка,14 – аккумуляторы, 15,16 – обмотка реверсивного двигателя
Автоматическая рециркуляция осуществляется следующим образом: при питании первичных обмоток ДТ и ПФ переменным током от преобразователя напряжения 5 во вторичной обмотке 12 ДТ и рамке 13 ПФ индуктируются переменные напряжения, величина и фаза которых зависит от положения сердечника 11 и рамки 13. При рассогласованных положениях сердечника 11 и рамки 13, за счет перемещения рейки 10 топливного насоса 1 с изменением нагрузки на дизеле, напряжения индуктируемые во вторичной обмотке ДТ и рамке ПФ не будут равны друг другу и на вход усилителя 4 будет подаваться напряжение (равное разности указанных напряжений), величина и фаза которого зависит от величины и направления рассогласования. Это переменное напряжение, усиленное электронным усилителем 4, подается на управляющую обмотку реверсивного двигателя 6.
Электродвигатель, обрабатывая поступивший сигнал, поворачивает с помощью кинематической связи перепускную заслонку 8 и рамку 13 ПФ до момента нового согласования положения сердечника 11 и рамки 13, т.е. до получения равенства напряжений, индуктируемых во вторичной обмотке 12 ДТ и рамке 13 ПФ (поворот реверсивного двигателя в ту или иную сторону зависит от фазы напряжения рассогласования). Таким образом, каждому положению подвижного сердечника 11 ДТ, определяемому перемещением рейки 10 топливного насоса дизеля, соответствует свое строго определенное положение рамки 13 ПФ и перепускной заслонки 8, управляющей рециркуляцией ОГ. Питание электрической схемы осуществляется от аккумуляторных батарей 14 через преобразователь напряжения 5. Напряжение питания не менее 110 В.
Достоинство устройства по данной схеме в том, что оно работает только от одного датчика, каковым служит дифференциальный трансформатор, подвижный сердечник которого жестко связан с рейкой топливного насоса дизеля. Использование ферродинамического преобразователя, в качестве сравнительного органа, устраняет необходимость установки дополнительного датчика положения перепускной заслонки. Кроме этого схема проста по исполнению, т.к. она включает в себя малое количество комплектующих узлов и деталей, а, следовательно, более надежна в работе.
Библиографическая ссылка
Интыков Т.С., Жакенов А.Г., Жакенов Б.К., Кутьенко С.Ю. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СОДЕРЖАНИЯ ОКСИДА АЗОТА И АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 4. – С. 40-44;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=31601 (дата обращения: 21.11.2024).