Снижение дымности отработавших газов дизеля отключением части цилиндров

Введение. Проводимая в стране программа широкой дизелизации подвижного состава ставит более остро вопросы защиты атмосферы от загрязнения токсичными ингредиентами отработавших газов дизелей.

При сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется около 80–100 г токсичных компонентов (20–30 г окиси углерода, 20–40 г окислов азота, 4–10 г углеводородов, 10–30 г окислов серы, 0,8–1,0 г альдегидов, 3–5 г сажи и др.).

Как известно, особую группу токсичных компонентов отработавших газов дизельных двигателей составляют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе и наиболее активный из них бенз(а)пирен (С 20 Н 12 ), являющийся индикатором присутствия канцерогенов в отработавших газах. Значительное количество тяжелых, канцерогенных ароматических углеводородов адсорбируется на саже. Известно, что концентрация бенз(а)пирена в дисперсных частицах, т. е. на сажевых частицах, в 3–4 раза выше, чем в потоке газа.

При работе дизельного двигателя в атмосферу выбрасывается в среднем около 3–5 кг сажи на 1 т сгоревшего топлива. При этом в зависимости от режима работы двигателя на долю сажи приходится от 30 до 90 % токсичного воздействия, обусловленного наличием в ней бенз(а)пирена [1].

Особенности нормативных документов . В настоящее время разрабатываются и успешно претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автотракторных двигателей, включающие в себя:

– внедрение государственных и отраслевых стандартов, регламентирующих допустимые уровни выбросов вредных веществ автотракторными двигателями (см. таблицу);

– изыскание новых видов топлив и присадок к ним, позволяющих заменить жидкие топлива нефтяного происхождения, повысить топливную экономичность двигателей и значительно снизить их токсичность;

– разработку и производство антитоксичных устройств, способствующих снижению токсичности существующих типов двигателей, создание двигателей с малотоксичным рабочим процессом (рис. 1);

– серийный выпуск средств контроля токсичности и дымности отработавших газов.

В таблице представлены максимально допустимые значения выбросов сажи, действующие в странах Европы, при использовании систем, имеющихся на сегодняшний день. Как известно, показатели токсичности отечественных двигателей не соответствуют этим нормам.

Нормы содержания токсичных составляющих в отработавших газах дизельных двигателей

Нормы	Дата введения	PM, г/кВт·ч	Дымность К, м-1
EURO 3	Октябрь 2000 г.	0,10/ 0,13*	0,8
EURO 4	Октябрь 2005 г.	0,02	0,5
EURO 5	Октябрь 2008 г.	0,02	0,5

* Для двигателей рабочим объемом менее 0,75 дм3 на цилиндр и с номинальной частотой вращения более 3000 мин–1.

В большинстве стран мира, в том числе и в РФ, в качестве единственного регламентируемого токсичного компонента отработавших газов дизельного двигателя нормируется дымность отработавших газов как показатель интенсивности сажевых выбросов дизеля.

В соответствии с ГОСТ 17.2.2.02-98 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы определения дымности отработавших газов тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин» под дымностью понимают показатель, характеризующий степень поглощения светового потока, просвечивающего имеющий определенную длину столб отработавших газов.

K – показатель ослабления светового потока по основной шкале, м^–1. Технический норматив дымности отработавших газов, измеренной оптическим методом, равный величине, обратной толщине слоя отработавших газов, проходя через который световой поток от источника света дымомера ослабляется в e раз, где e – основание натурального логарифма [2].

На рис. 1 представлены основные способы снижения вредных выбросов в отработавших газах двигателей.

Основные направления работ по снижению вредных выбросов

Повышение качества изготовления деталей

Термическая нейтрализация отработавших газов

Применение альтернативных видов топлив и присадок

Жидкостная нейтрализация отработавших газов

Рециркуляция отработавших газов

Каталитическая нейтрализация отработавших газов

Разработка малотоксичных рабочих процессов

Отключение части цилиндров и циклов

Рис. 1. Схема существующих способов снижения токсичности отработавших газов двигателя

Установлено, что отключение части цилиндров двигателя приводит к снижению расхода топлива, при этом предположительно снижается и дымность отработавших газов. Для подтверждения ниже представлены результаты исследований дизеля Д-240.

Методика и алгоритм расчета дымности отработавших газов . На рис. 2 приведена блок-схема расчетной модели по определению дымности отработавших газов дизеля.

Тепловой	р,	Определение эффектно.		Определение	к2р=»
	8,	показателей дизеля		дымности дизеля	7
расчет		при отключении	Gm	при отключении	К Ч(Ре)
дизеля		части цилиндров		части цилиндров

Рис. 2. Блок-схема расчетной модели по определению дымности отработавших газов дизеля

Вначале проводится тепловой расчет дизеля для определения индикаторных показателей ( P_i, g_i, η_i ). Затем проводится расчет механических потерь при отключении части цилиндров и эффективных показателей двигателя.

Эффективную мощность двигателя в зависимости от количества работающих цилиндров можно рассчитать по полученной нами формуле [3]:

^Ne^Z р

^Nе ^н

i •nM

zр   zв мп ii

•

I пм

1 - 1

, кВт,

где N е н – номинальная эффективная мощность двигателя, кВт; η мн – эффективный КПД при номинальной мощности; i – количество цилиндров в двигателе; z р – количество работающих цилиндров; z в – количество выключенных цилиндров; δ мп – снижение механических потерь:

8 _мп = 1 - ( 8 _тн + 8 _нх +8 _грм ) , 5 _тн - доля механических потерь на привод топливного насоса

( δ тн = 0,02), δ нх – доля механических потерь на насосные ходы ( δ нх = 0,14), δ грм – доля механических потерь на привод газораспределительного механизма ( δ грм = 0,062).

Часовой расход топлива в зависимости от количества работающих цилиндров рассчитывался по формуле

^{Z р          kN} , кг/ч,                                                                                     (2)

ттн,  , kn где Gтн – часовой расход топлива при номинальной мощности, кг/ч; kN – коэффициент изменения

номинальной мощности двигателя при отключении части цилиндров

zр   zв kN = .     . 8мп

(-1-I Пм

-1

;

kη – коэффициент изменения механического КПД двигателя при отключении части цилиндров kn = „1 ^н (kN -1’,;                                                                 (4)

k м ⁺ⁿ M • ⁽ k N ^- k м )

kм – коэффициент изменения мощности механических потерь двигателя при отключении части цилиндров kм

zр   zв мп.

ii

Коэффициент избытка воздуха – отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного

сгорания топлива:

a

Z _p

^G в ^{Z p}

L o • G Z p ,

где G _в ^{Z p} – действительный расход воздуха, кг/ч; L 0 – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, L 0 = 14,7 кг воздуха/кг топлива.

Сажесодержание в отработавших газах, определялось по уточненной нами формуле [4]:

D = a • e-ba = 27,438 • e-°,7818'a, г/м3, где a, b – постоянные для данного двигателя.

Результаты расчетного исследования.

Результаты расчета представлены на рис. 3.

Как видно из рис. 3, с увеличением частоты вращения коленчатого вала дымность возрастает за счет повышения коэффициента избытка воздуха. При отключении половины

Рис. 3. Результаты расчета дымности отработавших газов: 1 – исходный двигатель; 2 – отключена подача топлива

цилиндров (отключена только подача топлива) дымность снижается на номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя ( n = 2200 об/мин) на 28 %.

Методика экспериментального исследования . Для проверки предложенной модели были проведены экспериментальные исследования дизеля Д-240. Исследования показали, что наиболее целесообразно использовать способ отключения части цилиндров для повышения экономичности и снижения дымности двигателя на холостом ходу и малых нагрузках до коэффициента загрузки двигателя 0,2 от номинального.

В настоящей статье приведены результаты стендовых испытаний двигателя Д-240 при отключении части цилиндров. Испытания двигателя проведены в лаборатории кафедры «Тракторы и автомобили» ЧГАА на стенде КИ-5543 в соответствии с ГОСТ 185090-88. Параметры работы двигателя определяли при трех вариантах испытаний:

• 1)    испытания исходного двигателя;

• 2)    испытания с отключением только подачи топлива в цилиндры двигателя;

• 3)    испытания с отключением подачи топлива и привода клапанов цилиндров двигателя (клапаны были постоянно закрыты).

Измерения дымности проводились в соответствии с ГОСТ 17.2.2.02-98 на режиме установившихся частот вращения коленчатого вала двигателя. Прибор для измерения дымности ДО-1 состоит из измерителя дыма и оптического детектора, детектор устанавливался в выхлопную систему стенда.

Принцип работы дымомера основан на методе просвечивания отработавших газов двигателя.

Рис. 4. Изменение часового расхода топлива, коэффициента избытка воздуха и дымности дизеля в зависимости от частоты вращения коленчатого вала: 1 – исходный двигатель; 2 – отключена подача топлива 2 и 3 цилиндров; 3 – отключено топливо и ГРМ 2, 3 цилиндров

Результаты экспериментального исследования . Часовой расход топлива (рис. 4) с отключением только подачи топлива по сравнению с исходным двигателем снижается незначительно, так как при этом индикаторный КПД изменяется в небольших пределах [5, 6].

Полное отключение цилиндров (вариант 3) на различной частоте вращения коленчатого вала приводит к снижению часового расхода топлива в среднем на 25 %. Это объясняется главным образом тем, что уменьшаются потери на привод газораспределительного механизма 2 и 3 цилиндров, а также снижаются насосные потери. Кроме того, улучшается процесс сгорания, так как при отключении подачи топлива и привода клапанов 2 и 3 цилиндров, когда оставшиеся работающие цилиндры вынуждены совершать большую работу, цикловые подачи топлива в этих цилиндрах возрастают. Это приводит к улучшению рас-пыливания топлива, распределения его по объему камеры сгорания, уменьшению неравномерности подачи топлива по секциям топливного насоса высокого давления и снижению нестабильности подач топлива в последовательности циклов, что благоприятно сказывается на индикаторном КПД.

Выделение токсичных компонентов (рис. 4) в отработавших газах зависит от коэффициента избытка воздуха. При отключении только топлива по сравнению с исходным двигателем дымность отработавших газов на различных скоростных режимах уменьшается от 0,05 до 0,55 м–1 главным образом за счет увеличения коэффициента избытка воздуха. По варианту 3 величина дымности незначительно возрастает, что связано с отсутствием добавки воздуха в отработавшие газы из-за закрытия клапанов 2 и 3 цилиндров. У варианта 3 по сравнению с вариантом 1 показатели ослабления светового потока снижаются, что вызвано уменьшением расхода топлива, улучшением полноты его сгорания в 1 и 4 цилиндрах, уменьшением неравномерности цикловой подачи топлива по цилиндрам двигателя.

На рис. 5 представлен сравнительный анализ экспериментальных исследований с результатами расчета дымности дизеля при отключении части цилиндров.

Ча с т о т а в р а щ е н и я к ол е н ч ат о г о ва л а n, об / м и н

Рис. 5. Сравнение результатов экспериментальных исследований с расчетом дымности отработавших газов: 1 – исходный двигатель; 2 – отключена подача топлива

э к сп е р и м е н т ра с ч е т

Как видно из рис. 5, расхождение между результатами расчета дымности дизеля и экспериментальными исследованиями не превышает в среднем 15 %.

Выводы

• 1.    Предложенная расчетная модель определения дымности при отключении части цилиндров дизеля удовлетворительно совпадает с результатами экспериментов. Максимальное расхождение результатов расчета и экспериментов на номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя ( n = 2200 об/мин) не превышает 15 %.

• 2.    Наряду с улучшением экономических показателей дизеля при отключении цилиндров, заметно снижается и его дымность, так например, при отключении 2, 3 цилиндров на номинальной частоте вращения коленчатого вала ( n = 2200 об/мин) часовой расход топлива снижается на 25 %, дымность при тех же условиях – на 30 %.

• 3.    По данным результатов исследования видно, что для снижения дымности, достаточно отключать только подачу топлива в часть цилиндров двигателя, дымность при этом снижается с 1,4 до 0,87 м^–1, т. е. на 35 %.