firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2022.31.03.65-74firesmi-1117Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВSAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTSТеория и практика диагностики пожароопасных режимов эксплуатации каталитических нейтрализаторовTheory and practice of diagnostics of fire hazardous modes of operation of catalytic convertershttps://orcid.org/0000-0001-6381-0519ЛожкинВ. Н.LozhkinV. N.

Ложкин Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства

РИНЦ ID: 369765; Scopus Author ID: 56566370300

196105, г. Санкт-Петербург, Московский пр-т, 149

Vladimir N. Lozhkin, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Honoured Scientist of the Russian Federation, Professor of Department of Rescue Equipment and Fire Vehicles

ID RISC: 369765; Scopus Author ID: 56566370300

Moskovskiy Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105

vnlojkin@yandex.ruСанкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий имени Героя Российской Федерации генерала армии Е. Н. ЗиничеваРоссияSaint-Petersburg State Fire Service University of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination on Consequences of Natural Disasters named after the Hero of the Russian Federation, Army General E. N. ZinichevRussian Federation2022240720223136574Copyright © Ложкин В.Н., 20222022Ложкин В.Н.Lozhkin V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1117Введение

Введение. Массовое применение на автомобильных двигателях каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров обострило проблему их возгорания и актуализировало научно-методическое обеспечение экспертизы причин пожарно-аварийных режимов (ПАР) эксплуатации топливно-каталитических агрегатов (ТКА). Подтверждена связь ПАР работы ТКА с отказами топливной аппаратуры, износами цилиндропоршневой группы двигателей и отклонениями состава топлива. Целью являлась разработка метода диагностики пожароопасных режимов эксплуатации ТКА автотранспорта.

Методология

Методология. Обоснована модель окислительного катализа в ТКА. Она обеспечивает расчет термокаталитической эффективности и генерации тепла в активном слое платинового катализатора на γ-Al2O3 в зависимости от температуры отработавших газов (ОГ), концентрации СО, СН и сажи. Установлено, что теоретически процесс катализа может развиваться в четырех предельных областях: внутренняя кинетическая область, внутридиффузионная область, внешнедиффузионная область, внешнекинетическая область.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Экспериментально-расчетные исследования показали вероятность аварийных автомобилей с многократным превышением выброса сажи и термической напряженности. На двигателе КамАЗ 10‑кратное увеличение в ОГ СО, СН и сажи увеличивает тепловую производительность каталитической реакции с 17 282 до 491 907 кДж/ч, создавая угрозу возгорания. Для идентификации ПАР предложен метод диагностики на основе режима «свободного ускорения» (СУ) по ГОСТ 33997–2016. Процедура дополнена максимальными оборотами и ограничением (0,5 с) времени режима СУ. Последнее необходимо для гарантированного выхода двигателя на «внешнюю скоростную характеристику». Метод применен в пожарно-технических исследованиях автомобиля Ford Mondeo с дизелем TDCi («Common Rail System») и каталитическим сажевым фильтром. Лабораторными экспертно-аналитическими исследованиями было установлено, что основной причиной работы ТКА в аварийных (по экологической и пожарной опасности) режимах является накапливаемая при длительной эксплуатации коррозия прецизионных деталей топливной аппаратуры. Прогрессирующая коррозия происходит по причине избыточного содержания в топливе и масле серы и влаги.

Выводы

Выводы. Показано, что аварийный разогрев каталитического нейтрализатора приводит к резкому увеличению риска возгорания автомобиля. Предложен оригинальный метод диагностики пожароопасных режимов эксплуатации нейтрализаторов на основе процедур ГОСТ 33997–2016 (ТР ТС 018/2011).

Introduction

Introduction. The wide-scale use of catalytic converters and particulate filters in automobile engines has aggravated the problem of their ignition and updated the research and methodological framework for the examination of causes of fire emergency modes (FEMs) of operation of fuel catalytic units (FCUs). The relationship between the FEMs of the FCU operation and failures of the fuel equipment, wear of the cylinder-piston group of engines and deviations in fuel compositions was confirmed. The goal was to develop a diagnostic method for fire hazardous modes of operation of FCUs of vehicles.

Methodology

Methodology. A model of oxidative catalysis underway in the FCU has been proven rational. The model is used to calculate the thermo-catalytic efficiency and heat generation in the active layer of the γ-Al2O3 platinum catalyst depending on the temperature of exhaust gases (EG), concentrations of CO, CH and soot. It has been found out that catalysis can theoretically develop in four limit domains: internal kinetic domain, internal diffusion domain, external diffusion domain, and external kinetic domain.

Results and discussion

Results and discussion. Experimental and computational studies have shown the probability of emergence of breakdown vehicles with a multiple excess of soot emissions and thermal stresses. A 10‑fold increase in CO, CH and soot in EG rises the thermal performance of the catalytic reaction from 17,282 to 491,907 kJ/h, creating a fire hazard in a KamAZ engine. To identify a FEM, the diagnostic method based on the «free acceleration» (FA) mode according to GOST 33997–2016 is proposed. The procedure is supplemented with maximum revolutions and restrictions (0.5 s) of the FA mode time. The latter is necessary for the guaranteed operation of the engine in the «full load mode». The method was applied in the course of the fire engineering studies on a Ford Mondeo car having a TDCi (Common Rail System) diesel engine and a catalytic particulate filter. Laboratory examination and analytical studies have found that the main reason for the operation of FCU in emergency (due to environmental and fire hazards) modes is the corrosion of precision parts of the fuel equipment accumulated during its long-term operation. Progressive corrosion is caused by excessive sulfur and moisture content in fuel and oil.

Conclusions

Conclusions. It’s been proven that the emergency heating of a catalytic converter causes a sharp rise in the car combustion risk. The authors have proposed an original method for the diagnostics of fire-hazardous modes of operation of catalytic converters based on procedures set in GOST 33997–2016 (ТР ТС 018/2011).

автомобильдвигательнеисправностьотработавшие газыпожарный рискматематическая модельэкспериментрасчетыметод диагностикиautomobileenginemalfunctionexhaust gasesfire riskmathematical modelexperimentcalculationsdiagnostic methodАвтор выражает благодарность научному руководителю проектов Института безопасности дорожного движения при ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», д-ру техн. наук, профессору Кравченко П. А. за предоставленную возможность проведения инструментального контроля эколого-пожароопасных режимов работы ТКА автомобилей в Центре технических экспертиз и полезные научно-методические консультации.The author would like to express his thanks to professor P. A. Kravchenko, Doctor of Engineering Sciences, a research advisor for projects of the Institute of Traffic Safety of the Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering» for an opportunity to perform the instrumentation control of the fire hazardous modes of operation of fuel catalyst units of automobiles at the Centre for Engineering Examination and helpful research and methodology-focused advice.ReferencesAl-Delaimy W., Ramanathan V., Sorondo M. Health of people, health of planet and our responsibility: Climate change, air pollution and health. Springer, 2020. 417 p. DOI: 10.1007/978-3-030-31125-4Al-Delaimy W., Ramanathan V., Sorondo M. Health of people, health of planet and our responsibility: Climate change, air pollution and health. Springer, 2020; 417. DOI: 10.1007/978-3-030-31125-4Lozhkin V., Lozhkina O., Dobromirov V. A study of air pollution by exhaust gases from cars in well courtyards of Saint Petersburg // Transportation Research Procedia. 2018. Vol. 36. Pp. 453–458. DOI: 10.1016/j.trpro.2018.12.124Lozhkin V., Lozhkina O., Dobromirov V. A study of air pollution by exhaust gases from cars in well courtyards of Saint Petersburg. Transportation Research Procedia. 2018; 36:453-458. DOI: 10.1016/j.trpro.2018.12.124Alegbeleye O.O., Opeolu B.O., Jackson V.A. Polycyclic aromatic hydrocarbons: A critical review of environmental occurrence and bioremediation // Environmental Management. 2017. Vol. 60. Issue 4. Pp. 758–783. DOI: 10.1007/s00267-017-0896-2Alegbeleye O.O., Opeolu B.O., Jackson V.A. Polycyclic aromatic hydrocarbons: A critical review of environmental occurrence and bioremediation. Environmental Management. 2017; 60(4):758-783. DOI: 10.1007/s00267-017-0896-2Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of nitrogen oxides emissions from petrol and diesel passenger cars by means of on-board monitoring: Effect of vehicle speed, vehicle technology, engine type on emission rates // Transportation Research. Part D: Transport and Environment. Elsevier Science Publishing Company, Inc. 2016. Vol. 47. Pp. 251–264. DOI: 10.1016/j.trd.2016.06.008Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of nitrogen oxides emissions from petrol and diesel passenger cars by means of on-board monitoring: effect of vehicle speed, vehicle technology, engine type on emission rates. Transportation Research Part D: Transport and Environment. Elsevier Science Publishing Company, Inc. 2016; 47:251-264. DOI: 10.1016/j.trd.2016.06.008Ложкин В.Н. Теория и практика безразборной диагностики и каталитической нейтрализации отработавших газов дизелей : дис. … д-ра техн. наук. СПб., 1995. 444 с.Lozhkin V.N. Theory and practice of in-place diagnostics and catalytic neutralization of diesel exhaust gases : dissertation of the Doctor of Technical Sciences. Saint Petersburg, 1995; 444. (rus).Shancita I., Masjuki H., Kalam M., Fattah I.R., Rashed M., Rashedul H. A review on idling reduction strategies to improve fuel economy and reduce exhaust emissions of transport vehicles // Energy Conversion and Management. 2014. Vol. 88. Pp. 794–807. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.09.036Shancita I., Masjuki H., Kalam M., Fattah I.R., Rashed M., Rashedul H. A review on idling reduction strategies to improve fuel economy and reduce exhaust emissions of transport vehicles. Energy Conversion and Management. 2014; 88:794-807. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.09.036Baturin S.A., Lozkin V.N., Keiser E. Experimentelle Flammen temperaturbestimmung in Zulinder schnelldrehender Diselmotoren // Kraftfahrzeingtechnik. 1979. Vol. 2. S. 44–46.Baturin S.A., Lozkin V.N., Keiser E. Experimentelle Flammen temperaturbestimmung in Zulinder schnelldrehender Diselmotoren. Kraftfahrzeingtechnik. 1979; 2:44-46. (ger).Kaiser E.W., Siegl W.O., Trinker F.H., Cotton D.F., Cheng W.K., Drobot K. Effect of engine operating parameters on hydrocarbon oxidation in the exhaust port and runner of a spark-ignited engine // SAE Technical Paper Series. 1995. DOI: 10.4271/950159Kaiser E.W., Siegl W.O., Trinker F.H., Cotton D.F., Cheng W.K., Drobot K. Effect of engine operating parameters on hydrocarbon oxidation in the exhaust port and runner of a spark-ignited engine. SAE Technical Paper Series. 1995. DOI: 10.4271/950159Gao J., Tian G., Sorniotti A. On the emission reduction through the application of an electrically heated catalyst to a diesel vehicle // Energy Science and Engineering. 2019. Vol. 7. Issue 6. Pp. 2383–2397. DOI: 10.1002/ese3.416Gao J., Tian G., Sorniotti A. On the emission reduction through the application of an electrically heated catalyst to a diesel vehicle. Energy Science and Engineering. 2019; 7(6):2383-2397. DOI: 10.1002/ese3.416Ложкина О.В., Онищенко И.А. Методика оценки выбросов опасных компонентов отработавших газов при пуске и прогреве двигателей автотранспортных средств в климатических условиях Арктики // Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России. 2020. № 3. С. 30–37. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=44108901Lozhkina O.V., Onishchenko I.A. Methodology for assessing emissions of hazardous components of exhaust gases during the start-up and warm-up of motor vehicle engines in the climatic conditions of the Arctic. Bulletin of St. Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia. 2020; 3:30-37. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=44108901 (rus).Costagliola M.A., Prati V., Mariani A., Unich A., Morrone B. Gaseous and particulate exhaust emissions of hybrid and conventional cars over legislative and real driving cycles // Energy and Power Engineering. 2015. Vol. 07. Issue. 05. Pp. 181–192. DOI: 10.4236/epe.2015.75018Costagliola M.A., Prati V., Mariani A., Unich A., Morrone B. Gaseous and particulate exhaust emissions of hybrid and conventional cars over legislative and real driving cycles. Energy and Power Engineering. 2015; 7(5):181-192. DOI: 10.4236/epe.2015.75018Gänzler A.M., Casapu M., Doronkin D.E., Maurer F., Lott P., Glatzel P. et al. Unravelling the different reaction pathways for low temperature CO oxidation on Pt/CeO2 and Pt/Al2O3 by spatially resolved structure–activity correlations // The Journal of Physical Chemistry Letters. 2019. Vol. 10. Issue 24. Pp. 7698–7705. DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02768Gänzler A.M., Casapu M., Doronkin D.E., Maurer F., Lott P., Glatzel P. et al. Unravelling the different reaction pathways for low temperature co oxidation on Pt/CeO2 and Pt/Al2O3 by spatially resolved structure–activity correlations. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2019; 10(24):7698-7705. DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02768Gao J., Tian G., Sorniotti A. Review of thermal management of catalytic converters to decrease engine emissions during cold start and warm up // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 147. Pp. 177–187. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.10.037Gao J., Tian G., Sorniotti A. Review of thermal management of catalytic converters to decrease engine emissions during cold start and warm up. Applied Thermal Engineering. 2019; 147:177-187. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.10.037Leman A.M., Jajuli A., Feriyanto D., Rahman F., Zakaria S. Advanced catalytic converter in gasoline engine emission control: A review // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 87. P. 02020. DOI: 10.1051/matecconf/20178702020Leman A.M., Jajuli A., Feriyanto D., Rahman F., Zakaria S. Advanced catalytic converter in gasoline engine emission control: A review. MATEC Web of Conferences. 2017; 87:02020. DOI: 10.1051/matecconf/20178702020Khan S.R., Zeeshan M., Iqbal S. Thermal management of newly developed non-noble metal-based catalytic converter to reduce cold start emissions of small internal combustion engine // Chemical Engineering Communications. 2018. Vol. 205. Issue 5. Pp. 680–688. DOI: 10.1080/00986445.2017.1412311Khan S.R., Zeeshan M., Iqbal S. Thermal management of newly developed non-noble metal-based catalytic converter to reduce cold start emissions of small internal combustion engine. Chemical Engineering Communications. 2018; 205(5):680-688. DOI: 10.1080/00986445.2017.1412311Getsoian A.B., Theis J.R., Lambert C.K. Sensitivity of three-way catalyst light-off temperature to air-fuel ratio // Emission Control Science andTechnology. 2018. Vol. 4. Issue 3. Pp. 136–142. DOI: 10.1007/s40825-018-0089-3Getsoian A.B., Theis J.R., Lambert C.K. Sensitivity of three-way catalyst light-off temperature to air-fuel ratio. Emission Control Science and Technology. 2018; 4(3):136-142. DOI: 10.1007/s40825-018-0089-3Kannepalli S., Gremminger A., Tischer S., Deutschmann O. Optimization of axial catalyst loading in transient-operated zone-structured monoliths: Reduction of cumulative emissions in automotive oxidation catalysts // Chemical Engineering Science. 2017. Vol. 174. Pp. 189–202. DOI: 10.1016/j.ces.2017.09.013Kannepalli S., Gremminger A., Tischer S., Deutschmann O. Optimization of axial catalyst loading in transient-operated zone-structured monoliths: Reduction of cumulative emissions in automotive oxidation catalysts. Chemical Engineering Science. 2017; 174:189-202. DOI: 10.1016/j.ces.2017.09.013Gao J., Tian G., Sorniotti A. On the emission reduction through the application of an electrically heated catalyst to a diesel vehicle // Energy Science & Engineering. 2019. Vol. 7. Issue 6. Pp. 2383–2397. DOI: 10.1002/ese3.416Gao J., Tian G., Sorniotti A. On the emission reduction through the application of an electrically heated catalyst to a diesel vehicle. Energy Science & Engineering. 2019; 7(6):2383-2397. DOI: 10.1002/ese3.416Ning J., Yan F. Temperature control of electrically heated catalyst for cold-start // Emission Improvement. IFAC-PapersOnLine. 2016. Vol. 49. Issue 11. Pp. 14–19. DOI: 10.1016/j.ifacol.2016.08.003Ning J., Yan F. Temperature control of electrically heated catalyst for cold-start. Emission Improvement. IFAC-PapersOnLine. 2016; 49(11):14-19. DOI: 10.1016/j.ifacol.2016.08.003Tsinoglou D.N., Weilenmann M. A simplified threeway catalyst model for transient hot-mode driving cycles // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2009. Vol. 48. Issue 4. Pp. 1772–1785. DOI: 10.1021/IE8010325Tsinoglou D.N., Weilenmann M. A simplified threeway catalyst model for transient hot-mode driving cycles. Ind. Eng. Chem. Res. 2009; 48(4):1772-1785. DOI: 10.1021/IE801032

The authors declare that there are no conflicts of interest present.