Методика прогнозирования эффективности и пожарной безопасности нейтрализаторов транспортных средств

Безопасность эксплуатации автомобильного транспорта сегодня в значительной степени определяется, во-первых, надежностью и экологической эффективностью работы [1, 2, 16, 49, 86], а во вторых, свойствами пожаро-опасности (способностью к возгоранию) [123−125] топливно-каталитических систем (ТКС), которыми оснащаются современные транспортные средства (ТС) в соответствии с Правилами №№ 87 и 49 ЕЭК ООН [66] для удовлетворения требований Евро-3, Евро-6.

К таким устройствам относятся: системы электронно-управляемого регулирования состава топливовоздушной смеси по сигналам^{-зондов,} пламегасители, системы рециркуляции отработавших газов (ОГ), каталитические окислительно-восстановительные нейтрализаторы ОГ, керамические сажевые фильтры с электронно-управляемыми системами каталитической регенерации путем принудительного дросселирования потока ОГ в газовой турбине свободного турбокомпрессора (СТК), реакторы каталитического восстановления окислов азота с использованием мочевины и т. п. 31, 40, 52, 55, 68, 78, 95].

Эффективная работа перечисленных топливно-каталитических устройств и систем сопряжена с необходимостью подвода в каталитический реактор дополнительного тепла с ОГ [55, 117, 125] или электроподогревом [73, 96, 97, 120], а в последующем, — с реализацией мощных экзотермических окислительно-восстановительных процессов. При этом надежность и эффективность работы каталитического нейтрализатора (КН) по основной функции обезвреживания ОГ, а также по обеспечению пожаробезопасности основана на автоматическом диагностировании и регулировании (поддержании) предельно точного (прецизионного) состава топливовоздушной смеси (А- = 0,981,02) [92].

В условиях реальной эксплуатации автотранспорта по разного рода причинам [53−55], например, плохого качества топлива, неквалифицированного технического обслуживании или ремонта ТС, нарушениях правил эксплуатации, неудовлетворительного контроля технического состояния ТС при государственных технических осмотрах ТКС могут перейти в аварийный (по эффективности обезвреживания ОГ, а также пожароопасности) режим работы и стать источником повышенного выброса в окружающую среду СО, СН, МЭх, БП, ПМ, а также воспламенения ТС [123−125].

Автомобильный рынок России, после принятия специального технического регламента «О требованиях к выбросам вредных (загрязняющих) веществ колесных транспортных средств, выпускаемых в обращение на территории Российской Федерации» (Постановление правительства РФ № 609 от 12 октября 2005 года) [67], стал насыщаться ТС зарубежной разработки (иномарками), на которых установлены ТКС. В соответствии с данным Постановлением определен порядок и сроки поэтапного введения требований ЕЭК ООН по нарастающему уровню в период с 2006 года (Евро-2) до 2014 года (Евро-5). «Экологической планкой» для автомобилей, выпускаемых в обращение на территории РФ, начиная с 2006 года, стал уровень нормативов Евро-2.

Однако, в РФ, согласно данных реальной статистики возгораний на автомобильном транспорте, эксплуатация современных ТС зарубежной разработки (иномарок), оснащенных перечисленными ТКС и доля которых в общем парке ТС, регистрируемых на улицах и автомагистралях Москвы и Санкт-Петербурга, составляет сегодня не менее 60−70%, [49, 77], оказалась, по целому ряду объективных причин [55], сопряженной с достаточно высокими рисками работы в ранее отмеченных аварийных экологических, а таюке пожароопасных режимах [54, 124].

Основной причиной этого противоречия стало объективное несоответствие требованиям европейских стандартов качества реализуемого топлива.

46, 57, 63, 77, 123]. Не лучшим образом, при этом, сказываются нарушения регламента контроля конструктивной безопасности ТС при технических осмотрах в соответствии с введенными новыми стандартами европейского уровня — ГОСТ Р 51 709−2001, ГОСТ Р 52 160−2003, ГОСТ Р 52 033;2003, ГОСТ Р 17.2.02.06−99 [19−22], низкое качество выполнения технического обслуживания и ремонта ТС, а также не укомплектованность предприятий автосервиса соответствующими по техническому обслуживанию и ремонту ТКС с электронным управлением высоко квалифицированными кадрами и диагностическим оборудованием.

Неудовлетворительное состояние решения данной серьезной проблемы в РФ основано на объективном непонимании и, как следствия, недооценки причин возникновения аварийных режимов работы ТКС при нештатных ситуациях эксплуатации ТС [53−55]. Ее решение требует понимания физико-химической природы данного явления с последующими разработкой и внедрением дополнительных мер безопасности в эксплуатации ТС. В свою очередь последнее станет возможным только на основе всестороннего научного анализа доминирующих причин (факторов), исследования физико-химической природы явления, приводящего к аварийным нештатным режимам эксплуатации ТКС и разработки на этой основе методики прогнозирования их возникновения применительно к условиям реальной эксплуатации ТС [63].

Решению данной актуальной научно-технической проблемы на базе научных заделов кафедры ПАСТ и АХ СПб университета ГПС МЧС Росси по исследованию систем термокаталитической нейтрализации ОГ автотранспорта и посвящается тема диссертационного исследования.

Научная новизна результатов диссертации определяется новой методикой расчетного прогнозирования эффективности обезвреживания ОГ, а также пожарной опасности ТКС на основе уточненной физико-химической модели процессов, протекающих в каталитических реакторах блочной конструкцииобоснованной теоретическими, а также экспериментально-расчетными исследованиями гипотезой доминирования внутри диффузионной модели кинетических процессов в блочном реакторе, что позволяет соответствующим образом конструировать эффективные и пожаробезопасные контактные аппаратыобоснованными диагностическими параметрами контроля аварийных (по эффективности и пожарной опасности) режимов работы ТКС по составу ОГ и алгоритмом их инструментально-расчетной оценкинаучными рекомендациями по расширению применимости (внедрения) разработанной методики прогнозирования аварийных (по эффективности и пожарной опасности) режимов работы ТКС с учётом электроразогрева КН применительно к действующим системам контроля безопасности ТС в России и за рубежом.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Пожарная, аварийно-спасательная техника и автомобильное хозяйство» Санкт-Петербургского Университета ГПС МЧС России. Отдельные лабораторные и стендовые эксперименты проводились с участием автора на ПТЦ ГПС Санкт-Петербурга и Ленинградской области, ГОУ ВПО СПб ГАСУ, ООО ЦНИДИ.

Результаты выполненного исследования используются в учебном процессе СПб университета ГПС МЧС России по курсу «Надежность технических систем и техногенный риск», автомобильно-дорожном факультете ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по курсу «Экология», внедрены в ОАО «ЦНИТА». Полученные результаты могут быть использованы специализированными подразделениями МЧС России, осуществляющими контроль безопасной эксплуатации автомобильного транспорта.

По результатам диссертационного исследования на защиту выносятся следующие положения.

1. Новый подход к решению проблемы обеспечения эксплуатационной безопасности ТКС автотранспорта путем изучения физико-химической природы, моделирования и диагностирования (прогнозирования) аварийных режимов протекания гетерогенного катализа, способных привести к возгоранию ТС и потере эффективности КН в эксплуатации.

2. Уточненная, на основе фундаментальных представлений гетерогенного катализа, аналитическая модель физико-химических процессов, протекающих в системе «ДВС — КН». Модель позволяет на общей научной основе (стратегии) по новому решать проблему повышения эффективности и обеспечения пожарной безопасности ТКС современных ТС.

3. Методика расчетного прогнозирования эффективности обезвреживания ОГ, а также опасности возгорания теплонапряженных ТКС на основе уточненной физико-химической модели процессов, протекающих в каталитических реакторах блочной конструкции, которая включает следующие новые научные элементы.

3.1. Результаты экспериментально-расчетных исследований на двигателе с КН, подтверждающих (доказывающих) гипотезу доминирования внут-ридиффузионной модели кинетических процессов в блочных КН, что имеет принципиальное значение в вопросах конструирования и диагностирования безопасных ТКС.

3.2. Уточненная на основе данных экспериментально-расчетного исследования физико-аналитическая модель и инженерная методика расчета (прогнозирования) эффективности и тепловой напряженности процесса катализа в блочном КН.

3.3. Расширение инженерной методики расчета в область прогнозирования допустимого (пожаробезопасного) автономного электрического разогрева матриц КН для обеспечения повышения экологической эффективности их работы в реальных условиях эксплуатации (низкие температуры ОГ на малых и средних нагрузках работы двигателя).

4. Результаты экспертно-аналитических исследований причин и последствий аварийных (по экологической и пожарной опасности) режимов эксплуатации ТКС новейших конструкций.

5. Расширение применимости разработанной методики в область инструментального прогнозирования (технического диагностирования) аварийных режимов эксплуатации ТКС на основе анализа состава ОГ. Обоснование диагностических критериев, параметров и характеристик, адаптированных к стандартным технологиям диагностики конструктивной безопасности двигателей ТС в эксплуатации по ГОСТ Р 51 709−2001, ГОСТ Р 52 033;2003 и ГОСТ Р 52 160−2003. и.

Общие выводы по диссертации.

1. В последние годы в России и зарубежных странах наблюдается резкое увеличение количества транспортных средств, оснащаемых сложными электронно-управляемыми топливно-каталитическими системами (ТКС), неисправность которых приводит к потере экологической эффективности и аварийным пожароопасным режимам работы. Для РФ острота данной проблемы усугубляется объективными неудовлетворительными условиями эксплуатации, например, несоответствующим по качеству топливом, слабым контролем технического состояния, неудовлетворительным сервисным обслуживанием ТКС, которые представляют собой, по сути, изделия массового производства особо высокой сложности.

2. При неисправности ТКС риск опасного воздействия отработавших газов на человека и среду обитания связана потерей эффективности работы по основной* экологической функции и выбросом в воздушную среду с ОГ веществ 1, 2 и 3 — го классов опасности: полидисперсной сажина поверхности которой адсорбируются сильнейшие токсичные и канцерогенные вещества, в частности, — бенз (а)пирен и содержащие серу водные кислотные растворы, которые определяют дымность ОГ (РМ) — окислов азота (ЫОх), газообразных углеводородов (СН), формальдегида и оксида углерода (СО — угарного газа).

Пожарный риск обусловлен тем, что при износах или залегании колец ЦПГ двигателей, аварийных режимах работы топливной аппаратуры, системы зажигания или электронного управления по сигналам^{-зондов,} систем регенерации сажевых фильтров и т. д., — ТКС способны стать источником повышенного выделения тепла, привести к возгоранию транспортного средства.

3. Недостатком применяемых сегодня методик контроля безопасности эксплуатации ТКС является отсутствие унифицированных методологий диагностирования, вытекающих из анализа «физики отказов», основанных на фундаментальных исследованиях гетерогенного катализа.

4. Разработанная уточненная для блочного конвертора математическая модель физико-химического процесса нейтрализации ОГ и выделения тепла в активном слое катализатора позволяет:

— производить оценки комплексных показателей эффективности работы пористого активного слоя;

— осуществлять расчет температур катализа, развиваемых как в каналах реактора, так и по глубине активного слоя катализатора вплоть до стенки «носителя», что имеет принципиальное значение в оценках как пожарной нагрузки (определяемой массой и теплотворной* способности" реагирующих веществ), так и максимальных температур окислительно-восстановительных реакций.

5. Значения критериямРейнольдса для каналов блочного реактора ReK изменяются в диапазоне 100f— 280. Принимая во внимание специфичные физические условия в реакторе КН, это соответствует турбулентному течению ОГ в каналах матрицы каталитического реактора. 7.

6. При среднем значении эффективного коэффициента диффузии, 4,5−10″ л м /с, глубина проникновения каталитической реакции внутрь пористого активного слоя блочного носителя (L) в зависимости от значений эффективной константы скорости реакции¹ может принимать значения от 8,8−10″ 5 до 0,085 — 0,808 мм.

7. Оценка области и характера протекания термокаталитического процесса в блочном реакторе показала, что в пределах оценочных значений эффективной константы скорости реакции определяющей является диффузия в порах, а процесс нейтрализации описывается зависимостью (5). При этом внешняя диффузия реактантов из ядра потока к активному слою не может тормозить протекание химической реакции в порах каталитического слоя.

Если бы процессы в реакторе определялись исключительно внешним массообменом в ядре потока, то скорость суммарного процесса слабо зависела бы от химической активности катализатора. В экспериментальной практике это не подтверждается, поэтому используются платина и другие благородные металлы.

8. В зависимости от скорости химической реакции можно ожидать достаточно широкий диапазон вероятных реализаций эффективности использования пористого материала активного слоя катализатора,(77) 20.95% (меньшие значения отвечают полной нагрузке, большие значения — режиму холостого хода без нагрузки).

9. Отмеченное в, п. 5, 6, 7, 8 общих выводов имеет прямое отношение к пониманию специфических механизмов (природы) экзотермических процессов в блочных КН сотовой конструкции, что приобретает принципиальное значение в установлении причин аварийных режимов работы КН при прогнозировании и пожарно-технических экспертных исследованиях по установлению места горения, источника и причин воспламенения ТКС автотранспорта.

10- Для исправного двигателя. КамАЗ-740.10 суммарный тепловой эффект каталитического процесса в порах КН может изменяться" в диапазоне значений 203 — 28 167 КДж. Меньшее значение соответствует режиму холостого хода, большее — режиму номинальной мощности. При неисправностях, отмеченных в п. 2 общих выводов, тепловая напряженность может возрасти в 10-ки раз за счет повышения пожарной нагрузки в КН.

11. Как показали результаты экспертных исследований на автомобилях отечественного и зарубежного производства основными причинами работы ТКС в аварийных режимах применительно к условиям эксплуатации в РФ являются: встречающиеся отклонения качества топлива от требований стандартов при его реализации, значительная доля неблагоприятных для ТКС режимов работы ТС (холостые хода, малые нагрузки), встречающиеся нарушения в системах контроля технического состояния, гарантийного и сервисного обслуживания ТКС.

12. Разработанные теоретические положения методики технического диагностирования ТКС нашли применение в инженерной методике расчета пожаробезопасного и эффективного автономного электрического разогрева матриц КН, инструментальной методике диагностирования эффективности и пожарной безопасности эксплуатации ТКС, практических рекомендациях по адаптации КН к технологиям ВТЭ и ТАФП.