Введение
Одной из актуальнейших проблем, сопровождающих современный процесс автомобилизации, является значительное загрязнение воздушного бассейна предприятий горнодобывающей промышленности вредными выбросами автомобильного транспорта.
Значительные объемы указанных вредных газов поступают в атмосферу карьеров в процессе ведения работ, в результате чего загазованность атмосферы карьеров при неблагоприятных метеорологических условиях может в несколько раз превышать предельно допустимые концентрации. Одной из основных причин загрязнения атмосферы карьеров вредными газами является работа двигателей внутреннего сгорания (автосамосвалы, тепловозы, тракторы, бульдозеры и др.), а именно дизельных двигателей, которыми оснащена подавляющая часть подвижного состава карьерного транспорта.
Цель исследования
Целью исследования являлись анализ и совершенствование существующих методов снижения уровня загрязнения атмосферы промышленных карьеров вредными выбросами дизельных двигателей.
Материал и методы исследования
Количество, состав и свойства отработавших газов полностью определяются составом применяемого дизельного топлива и воздуха, конструктивными параметрами и режимом работы дизельного двигателя. Исходный состав дизельного топлива состоит из углерода (0,870 кг на 1 кг топлива), водорода (0,126 кг на 1 кг топлива) и небольшого количества кислорода (0,004 кг на 1 кг топлива). В качестве окислителя обычно используется атмосферный воздух, основными составляющими которого являются азот и кислород.
Современные дизельные двигатели работают с избытком воздуха, коэффициент которого 
1,2¸8, что связано с необходимостью более полного сгорания топлива. В процессе сгорания топлива в дизельном двигателе достигаются следующие термодинамические параметры продуктов сгорания: 
= 4,8 ¸ 9,6 МПа и 
=1800 ¸ 2400 К. При указанных термодинамических параметрах компоненты топлива окисляются по следующим брутто-реакциям [2]: 
; 
.
Таким образом, если бы топливо, поступившее в дизельный двигатель, сгорело полностью, то отработавшие газы состояли бы из избыточного воздуха, углекислого газа и паров воды. Однако дизельный двигатель характеризуется высокой неоднородностью распределения топлива по объему камеры сгорания, что приводит к образованию сильно обогащенных и сильно обедненных топливом зон. В указанных зонах топливо сгорает не полностью или даже вообще не сгорает. По этой причине в отработавших газах содержатся продукты неполного сгорания топлива, являющиеся токсичными компонентами, а также пары самого топлива.
Всего в составе отработавших газов содержится около 280 компонентов [1], которые по химическим свойствам и характеру воздействия на биосферу разделяются на нетоксичные и токсичные. Причем по мере усовершенствования аналитических средств количество обнаруживаемых соединений продолжает возрастать. Основными токсичными компонентами отработавших газов дизельных двигателей являются: оксид углерода 
, оксиды азота 
, углеводороды 
, альдегиды 
, диоксид серы 
, сажа.
В эксплуатационных условиях предприятий горнодобывающей промышленности к основным направлениям снижения уровня загрязнения атмосферы промышленных карьеров вредными выбросами дизельных двигателей можно отнести [6]:
- совершенствование методов воздействия на рабочий процесс дизельных двигателей карьерного транспорта с целью уменьшения токсичности отработавших газов;
- совершенствование методов, способов и средств снижения токсичности отработавших газов в системе их выпуска.
К методам, характеризующим первое направление, относятся учет влияния эксплуатационных факторов, обеспечение исправного технического состояния, регулировки рабочего процесса сгорания топлива в двигателе, учет влияния рода топлив и применяемых к ним присадок, рециркуляция отработавших газов и комбинированные методы снижения токсичности отработавших газов.
К методам, характеризующим второе направление, относятся жидкостная нейтрализация вредных выбросов, пламенное дожигание или термическая нейтрализация вредных веществ, каталитическая нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов.
Результаты исследования и их обсуждение
Эксплуатационные факторы, несомненно, оказывают существенное влияние на концентрацию токсичных компонентов в отработавших газах дизельных двигателей. Но учесть разноплановое влияние режимов работы двигателей, температуры деталей камеры сгорания, параметров воздуха на впуске и других факторов на токсичность отработавших газов и найти оптимальное их сочетание в реальных условиях практической деятельности предприятий, эксплуатирующих карьерный транспорт, не представляется возможным.
Попытки уменьшения концентрации одних токсичных компонентов путем регулирования влияния эксплуатационных факторов, предпринятые нами на автосамосвалах семейства БелАЗ в условиях Соколовско-Сарбайского горно-обогатительного комбината, непременно сопровождались увеличением содержания других вредных веществ в отработавших газах. Кроме того, технологические условия работы карьерного транспорта не позволяют эксплуатировать автосамосвалы на каком-то постоянном режиме, соответствующем минимальному содержанию токсичных компонентов.
Проведенный нами анализ результатов обработки данных по надежности карьерного автотранспорта на предприятиях горнодобывающей промышленности показывает, что около 32 % всех отказов приходится на двигатель и его системы. При этом их количество значительно возрастает с увеличением пробега карьерных автосамосвалов с начала эксплуатации. Причинами этого являются как объективные обстоятельства ухудшения технического состояния дизельных двигателей и их систем (естественное старение, износ трущихся деталей, сложные условия эксплуатации и т.д.), так и недостатки в работе технической службы по поддержанию работоспособности подвижного состава.
У дизельных двигателей основными причинами, увеличивающими токсичность отработавших газов, являются: засорение воздушного фильтра; дефекты гильз цилиндра, поршневых колец, износ седел клапанов, приводящие к снижению компрессии; неисправности или нарушения регулировки системы газораспределения; засорение выпускного трубопровода, увеличивающее противодавление на выпуске, ухудшающее течение процесса горения и приводящее к резкому увеличению содержания сажи в отработавших газах; неисправности системы питания, к которым следует отнести: подтекания в форсунках, засорение сопловых отверстий, заедание игл форсунок, поломка пружин игл форсунок и т.д.
Результаты целого ряда исследований, проведенных различными научными коллективами, показывают, что процесс смесеобразования и сгорания в дизельных двигателях зависит от следующих свойств топлива [1, 3, 4, 7]: плотности, фракционного состава (характеристики разгонки), типа углеводородов, входящих в топливо; вязкости, склонности к самовоспламенению (характеризуемой цетановым числом); содержания серы. Следовательно, свойства дизельного топлива оказывают влияние на концентрацию вредных веществ в отработавших газах. Поэтому, решая задачу снижения токсичности отработавших газов на этапе эксплуатации карьерного транспорта, необходимо учитывать свойства дизельного топлива при организации материально-технического обеспечения горюче-смазочными материалами.
В рамках решения одной из сложных задач, связанной со снижением концентрации оксидов азота при эксплуатации дизельных путевых машин в тоннелях большой протяженности Соколовско-Сарбайского горно-обогатительного комбината нами на основе сравнительной оценки эффективности выше рассмотренных методов был предложен комбинированный метод снижения токсичности отработавших газов, который можно использовать и для карьерных автосамосвалов. Суть метода заключается в изменении угла опережения впрыска топлива через форсунку и использовании способа рециркуляции отработавших газов.
Одними из широко распространенных методов очистки токсичных компонентов отработавших газов являются методы, относящиеся ко второму направлению, которые основаны на пропускании отработавших газов через различные аппараты в системе их выпуска. Все подобные аппараты по принципу действия могут быть разделены на две большие группы. Первая группа – устройства, только задерживающие вредные вещества, называемые фильтрами. Вторая группа – аппараты, называемые нейтрализаторами, при помощи которых осуществляется активное воздействие на вредные вещества (дожигание несгоревших компонентов, химическое преобразование вредных веществ и т.д.). Благодаря этому вредные вещества нейтрализуются, т.е. превращаются в продукты, не влияющие на здоровье человека. На основании проведенных теоретических исследований, сравнительных лабораторно-стендовых и промышленных испытаний опытных и серийно выпускаемых образцов нейтрализаторов нами была предложена эффективная система каталитической нейтрализации для унифицированного ряда дизельных двигателей, характеризующаяся высокой степенью очистки основных токсичных компонентов, а также сравнительно низкими значениями газодинамического сопротивления выпуску газов и незначительным износом катализатора.
Выводы
Проводимые исследования в Карагандинском государственном техническом университете по совершенствованию методов снижения уровня загрязнения атмосферы промышленных карьеров вредными выбросами дизельных двигателей позволяют сделать следующие основные выводы.
При неизменных конструкциях камеры сгорания и способа смесеобразования на рабочий процесс с целью уменьшения выделения токсичных веществ можно воздействовать изменением состава смеси, угла опережения впрыска топлива, перекрытия клапанов, степени сжатия, т.е. регулировками рабочего процесса сгорания топлива в двигателе. При этом наиболее эффективным из числа этих регулировок является изменение угла опережения впрыска топлива.
Анализ результатов стендовых исследований показывает, что определенный с помощью проведенных нами теоретических расчетов оптимальный вариант параметров комбинированного метода при незначительном снижении мощности двигателей и их топливной экономичности позволяет снизить концентрацию оксидов азота на всех режимах до требуемых норм. Результаты стендовых испытаний позволяют рекомендовать комбинированный метод к промышленным испытаниям.
Анализ существующих методов снижения уровня загрязнения атмосферы промышленных карьеров вредными выбросами дизельных двигателей показывает, что в настоящее время по уровню достигнутых результатов теоретических и экспериментальных исследований, каталитические системы нейтрализации можно признать основным методом снижения токсичности отработавших газов в системе выпуска дизельных двигателей, рекомендуемым для использования на предприятиях горнодобывающей промышленности.
Рецензенты:
Тогизбаева Баглан Болсыновна, доктор технических наук, профессор, Карагандинский государственный технический университет, г. Караганда.
Тутанов Серикпай Куспанович, доктор технических наук, профессор, Карагандинский государственный технический университет, г. Караганда.