Снижение токсичности отработавших газов дизельного двигателя путем отключения части его цилиндров

Введение. Основной движущей силой промышленности и сельского хозяйства является дизельный двигатель. За последние 20 лет принципиально изменился ряд систем дизеля, в первую очередь, это системы управления и топливоподачи [1–3]. Так, например, топливная система common rail позволяет существенно снизить расход топлива за счет оптимального дозирования порции впрыскиваемого топлива [4–6]. Комплексное использование системы управления ДВС позволяет обеспечить рациональность выбора режимов автотракторных средств, значительно увеличить быстродействие ряда исполнительных элементов, улучшить топливную экономичность, снизить выбросы отработавших газов [7–9]. Особую нишу занимает совершенствование элементов выпускного тракта ДВС, в частности катализаторов и нейтрализаторов отработавших газов [10]. Все перечисленные мероприятия имею целью увеличение мощности ДВС при снижении расхода топлива и уменьшении выбросов отработавших газов в атмосферу [11–13].

В Российской Федерации процесс обновления автотракторных средств идет крайне медленно, до 85 % автотракторных средств не дотягивают даже до норм Евро-2. При том, что на сегодня в развитых странах мира действуют нормы Евро-6. С учетом высокого износа парка особенно актуально проведение мероприятий по снижению токсичности и повышению топливной экономичности двигателей с низкими нормами Евро [2, 4].

Одним из таких мероприятий является использование комплексного метода полного и частичного отключения части цилиндров при эксплуатации ДВС на холостом ходу и малых нагрузках

[9, 14, 15]. Данный метод широко известен и применяется большим количеством автотракторных фирм, таких как BMW, Wolkswagen, Volvo, Scania и др. Однако сложность применения данного метода состоит в отличительных особенностях режимов работы автотракторных средств [16–18]. Поэтому целью исследования является снижение токсичности отработавших газов и повышение топливной экономичности дизельного двигателя трактора Д-240 (как наиболее распространенного в промышленности и сельском хозяйстве) путем отключения части его цилиндров.

Разработка мероприятий по снижению токсичности двигателя Д-240 предполагает решение следующих частных задач:

• 1.    Исследовать взаимосвязь основных эксплуатационных показателей двигателя Д-240 с содержанием токсичности в отработавших газах при поцикловом и полном отключении части его цилиндров.

• 2.    Исследовать взаимосвязь топливно-экономических показателей двигателя Д-240 с показателями токсичности при поцикловом и полном отключении части цилиндров.

• 1.    Теоретические исследования. Процесс работы дизельного ДВС сопровождается выделением ряда токсичных компонентов [19, 20]. В практике же диагностирования используют комплексный метод контроля токсичности отработавших газов – измерение дымности и определение сажесодержания [21, 22]. Для исследования взаимосвязи режимов поциклового и полного отключения цилиндров ДВС с параметрами сажесодержания рассмотрим структурную схему теплового расчета (рис. 1).

  

  Рис. 1. Структурная схема теплового расчета сажесодержания дизеля

  
  

• 3.    Экспериментальные исследования (расчеты на ЭВМ и т. д.) При стендовых экспериментальных исследованиях на двигателе Д-240 без нагрузки были получены: 1) зависимости часового расхода топлива G _т (кг/ч) и дымности К (м^–1), отработавших газов дизельного ДВС Д-240 от частоты вращения коленчатого вала n (мин^–1) (рис. 7); 2) зависимости расхода воздуха G в (кг/ч) и коэффициента избытка воздуха α дизеля Д-240 от частоты вращения коленчатого вала n (мин^–1) (рис. 8).

  
  
  

Расчет строится на основе исследования взаимовлияния трех составляющих: 1) коэффициента избытка воздуха α; 2) коэффициента, учитывающего конструктивные отличия двигателя b x ; 3) сажесодержания при значительной вариации режимов работы двигателя D . В частности конструктивное исполнение элементов и систем двигателя Д-240 оказывает значительное влияние на сажесодержание. Следует указать граничные условия: 1) расчет строится для технически исправного объекта (для эталонного двигателя Д-240); 2) температура отработавших газов при обеспечении заданного теплового режима стабильна и степень ее изменения не существенна до 5 %. По результатам расчета построена зависимость (рис. 2).

Результаты, представленные на рис. 2, при всех вариантах взаимовлияния режимов исследования и конструктивных параметрах двигателя могут быть описаны формулой (1):

D

= a ⋅ e ^{x α} ,

где е – основание натурального логарифма; a – эмпирический коэффициент; b x – коэффициент, учитывающий конструктивные отличия двигателя Д-240; α – коэффициент избытка воздуха.

Рис. 2. Зависимость сажесодержания D (г/м³) отработавших газов двигателя Д-240 от коэффициента избытка воздуха α и коэффициента, учитывающего конструктивные отличия двигателя Д-240 b x

Расчет и конструирование

Расчет был выполнен в программе Mathcad и распространен на различные марки дизельных двигателей при уточнении эмпирического коэффициента а . Для решения поставленных выше задач были выбраны два характерных режима работы двигателя: 1) типовой режим работы всех 4 цилиндров; 2) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя. В результате теоретического расчета для двигателя Д-240 трактора МТЗ-80 были получены зависимости: сажесодержания ( D ), дымности ОГ ( K ) и коэффициента избытка воздуха (α) от частоты вращения коленчатого вала ( n ), представленные на рис. 3 и 4.

Частота вращения коленчатого вала n, мин ^–1

1 – исходный двигатель

2 – отключена подача топлива в половине цилиндров

Рис. 3. Теоретическая зависимость коэффициента избытка воздуха от частоты вращения коленчатого вала двигателя Д-240 трактора МТЗ-80

Анализ графиков на рис. 3 показывает, что при типовом режиме работы всех 4 цилиндров зависимость определяется линией 1. При искусственном режиме работы, формируемом посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя Д-240 зависимость (см. рис. 3), начиная с точки 1600 мин–1, идет выше и в пределах 2000–2400 мин–1 превышает типовой режим на 10–12 %. Объяснить рост коэффициента избытка воздуха на рис. 3 можно улуч- шением условий процесса сгорания топлива в камере сгорания работающих цилиндров, а также уменьшением часового расхода топлива (так как в два отключенных цилиндра топливо не подается) при практически неизменном расходе воздуха.

Анализ графиков на рис. 4 при сравнении типового режима работы ДВС и искусственного показывает снижение сажесодержания. Зона снижения начинается с 1600 мин–1 и продолжается до 2400 мин–1. При значении частоты вращения коленчатого вала 1800 мин–1 сажесодер-жание уменьшается на 10 %, а при 2200 мин–1 уже достигает 36 %. Зависимость дымности от частоты вращения коленчатого вала ДВС имеет аналогичный вид. Снижение при 2200 мин–1 составляет порядка 30 %. Таким образом, представленные теоретические исследования доказывают эффективность метода отключения цилиндров в пределах 1600–2400 мин–1.

Рис. 4. Теоретическая зависимость сажесодержания и дымности отработавших газов от частоты вращения коленчатого вала двигателя Д-240 трактора МТЗ-80

-1

Частота вращения коленчатого вала n, мин

• 1    - исходный двигатель

• 2    - отключена подача топлива в половине цилиндров

• 2.    Методика исследований . Для проведения экспериментальных исследований применялся обкаточно-тормозной стенд КИ-5543 с измерительными приборами (рис. 5). На экспериментальном стенде установлен дизельный двигатель Д-240 трактора МТЗ-80. Экспериментальный стенд позволяет проводить исследования в широком диапазоне: нагрузок 0–370 Н м и скоростных ре-

  Кожанов В.Н., Петелин А.А., Снижение токсичности отработавших газов Гриценко А.В., Шепелев В.Д. дизельного двигателя путем отключения части его цилиндров жимов 1100...2800 мин^–1. Кроме того, в топливные магистрали системы питания двигателя Д-240 были установлены электромагнитные клапана процесса управления отсечкой топлива (рис. 6).

При проведении экспериментальных исследований кроме измерительных стендовых приборов применялись: Дымомер «Инфракар Д1» и газоанализатор «Infralight 11P». Данные приборные средства перед проведением экспериментальных исследований прошли необходимую поверку. Дымомером производился контроль параметров дымности при обеспечении широкого диапазона скоростей коленчатого вала двигателя 1100–2400 мин^–1. По известной методике проводился пересчет в единицы сажесодержания [1]. При помощи газоанализатора проводилось измерение оксидов азота (NO x ), углеводородов (CH), коэффициента избытка воздуха в рабочем диапазоне скоростей коленчатого вала двигателя 1100–2400 мин^–1.

Рис. 5. Обкаточно-тормозной стенд КИ-5543 с измерительными приборами

Рис. 6. Электромагнитные клапана процесса управления отсечкой топлива

Частота вращения коленчатого вала n, мин

• 1    - исходный двигатель

• 2    - отключена подача топлива 2 и 3 цилиндров

• 3    - отключено топливо иГРМ 2, 3 цилиндров

  

  Рис. 8. Зависимости расхода воздуха G в , кг/ч и коэффициента избытка воздуха α дизеля Д-240 от частоты вращения коленчатого вала n , мин^–1

  
  

Рис. 7. Зависимости часового расхода топлива G т , кг/ч и дымности К , м^–1 отработавших газов дизельного ДВС Д-240 от частоты вращения коленчатого вала n , мин^–1

Расчет и конструирование

При экспериментальной работе были выбраны три характерных режима работы двигателя Д-240: 1) типовой режим работы всех 4 цилиндров; 2) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя; 3) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах и газораспределительного механизма в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя.

При анализе экспериментальных данных на рис. 7 для 2 и 3 режимов испытаний дымность уменьшилась. Причем уменьшение составило более 30 %. Объясняется это лучшими условиями сгорания топливно-воздушной смеси, снижением неравномерности цикловой подачи топлива и увеличением коэффициента избытка воздуха. Причем эффект снижения дымности начинает проявляться уже с 1400 мин^–1. Уменьшение часового расхода топлива для 1 и 2 режимов испытаний составило 0,2–0,3 кг/ч при n = 2200 мин^–1. Отключение же привода ГРМ для 3 режима испытаний позволило сэкономить 0,7–0,8 кг/ч расходуемого на работу топлива.

Анализ данных рис. 8 показывает небольшое уменьшение расхода воздуха G в между первым и вторым режимами испытаний. А вот для третьего режима наблюдается резкое снижение расхода воздуха, так как клапана двух цилиндров фактически закрыты и впуска воздуха не происходит. При этом исключаются лишние затраты энергии на всасывание воздуха, его сжатие и трение о стенки при движении. Коэффициент избытка воздуха, как видно в третьем варианте испытаний рис. 8, существенно упал во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя в связи с существенным уменьшением поступления воздуха при отключении приводов ГРМ двух цилиндров. При этом топлива, поступающего в два работающих цилиндра, требуется больше (увеличивается цикловая подача) при уменьшении неравномерности цикловой подачи в два работающих цилиндра. Наблюдается улучшение условий процесса сгорания.

На втором этапе экспериментальных исследований была поставлена основная задача, состоящая в выявлении взаимосвязи параметров токсичности дизельного ДВС со степенью отключения цилиндров под нагрузкой. В результате проведения исследований на испытательном стенде были получены результаты (под нагрузкой N _e = 0…35 кВт): 1) зависимости дымности отработавших газов и часового расхода топлива от эффективной мощности двигателя при n = 2200 мин^–1 (рис. 9); 2) зависимости расхода воздуха и коэффициента избытка воздуха от эффективной мощности двигателя при n = 2200 мин^–1 (рис. 10). Экспериментальные исследования при больших N e результатов экономии топлива и снижения токсичности выхлопных газов не дают.

Эффективная мощность Ne, кВт

1 - исходный ЗВигатель

2 - отключена подача топлиба 2 и 3 цилиндров

3 - отключено топлибо и ГРМ 2.3 цилиндрой

Эффективная мощность N _е , кВт

1 - исходный двигатель

2 - отключена подача топлива 2 и 3 цилиндров

3 - отключено топливо и ГРМ 2, 3 цилиндров

Рис. 9. Зависимости дымности отработавших газов К , м^–1 и часового расхода топлива G т , кг/ч от эффективной мощности двигателя N е , кВт при n = 2200 мин^–1

Рис. 10. Зависимости расхода воздуха G в , кг/ч и коэффициента избытка воздуха α от эффективной мощности двигателя N е , кВт при n = 2200 мин^–1

При экспериментальной работе были выбраны три характерных режима работы двигателя Д-240 под нагрузкой Ne = 0…35 кВт: 1) типовой режим работы всех 4 цилиндров; 2) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя; 3) искусственный режим работы, формируемый посредством отклю- чения подачи топлива в 2 цилиндрах и газораспределительного механизма в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя.

Проведем анализ результатов экспериментальных исследований на рис. 9, 10. При отключении топливоподачи в двух цилиндрах эффект снижения расхода топлива продолжается в пределах изменения нагрузки N e = 0…8 кВт (см. рис. 9). Дальнейшее нагружение больше 8 кВт приводит к противоположному результату – расход топлива увеличивается. Однако при третьем варианте работы ДВС эффект снижения расхода топлива продолжается в более широком диапазоне изменения нагрузки N e = 0…22 кВт (см. рис. 9). Хотя в пределах N e = 15…22 кВт он близок к нулю. Существенного снижения дымности отработавших газов при отключении топливоподачи на втором варианте работы ДВС, как показывает анализ рис. 9, можно достичь в узком диапазоне нагрузки N e = 0…8 кВт – 0,87–1,55 м^–1. Последующее нагружение приводит к существенному увеличению дымности и эффект отключения топлива нивелируется. При третьем варианте работы ДВС снижение дымности продолжается в более широком диапазоне N _e = 0…22 кВт (см. рис. 9).

Анализ данных на рис. 10 показывает существенное снижение расхода воздуха G в и коэффициента избытка воздуха α от эффективной мощности двигателя N е при третьем варианте работы ДВС. Объясняется это отсутствием насосного действия двух цилиндров. С экологической точки зрения очень выгодно и эффективно уменьшение количества поступающего воздуха в диапазоне N e = 0…22 кВт с 300 до 150 кг/ч. Так как разница расходов воздуха 300 – 150 = 150 кг/ч не поступит в цилиндр и не будет загрязнена отработавшими газами.

В завершающей части статьи проведем сопоставление экспериментальных данных с теоретическими (рис. 11, 12).

Рис. 11. Зависимости коэффициента избытка воздуха α от частоты вращения коленчатого вала двигателя n , мин^–1

Частота вращения коленчатого вала n, мин

1 - исходный двигатель

• 2 - отключена подача топлива в половине цилиндров

эксперимент ^* ^* ^* ^™ расчет

Рис. 12. Зависимости дымности К , м^–1 отработавших газов от частоты вращения коленчатого вала n , мин^–1

При сравнительной оценке были выбраны два характерных режима работы двигателя Д-240: 1) типовой режим работы всех 4 цилиндров; 2) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя.

Анализ зависимости (см. рис. 11) коэффициента избытка воздуха α от частоты вращения коленчатого вала показывает на достаточную сходимость результатов. Так в диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя 1200–1800 мин–1 наблюдается наибольшее расхождение, которое не превышает 7 %. Сравнение данных на рис. 12 показывает на расхождение теоретических и экспериментальных данных в пределах 1 %.

Выводы

• 1.    Разработан метод повышения топливной экономичности и снижения выбросов токсичных компонентов путем отключения части цилиндров двигателя (отключению топливоподачи и привода клапанов ГРМ).

• 2.    При экспериментальной работе были выбраны три характерных режима работы двигателя Д-240 без нагрузки и под нагрузкой N e = 0…35 кВт: 1) типовой режим работы всех 4 цилиндров; 2) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя; 3) искусственный режим работы, формируемый посредством отключения подачи топлива в 2 цилиндрах и газораспределительного механизма в 2 цилиндрах 4-цилиндрового двигателя.

• 3.    При отключении топливоподачи в двух цилиндрах эффект снижения расхода топлива продолжается в пределах изменения нагрузки N e = 0…8 кВт. Дальнейшее нагружение больше 8 кВт приводит к противоположному результату – расход топлива увеличивается. При отключении ГРМ эффект снижения расхода топлива продолжается в более широком диапазоне изменения нагрузки N e = 0…22 кВт. Существенного снижения дымности отработавших газов при отключении топливо-подачи на втором варианте работы ДВС можно достичь в узком диапазоне нагрузки N _e = 0…8 кВт – 0,87–1,55 м^–1. Последующее нагружение приводит к существенному увеличению дымности и эффект отключения топлива нивелируется. При третьем варианте работы ДВС снижение дымности продолжается в более широком диапазоне N _e = 0…22 кВт.

• 4.    Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими показывает, что в диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя 1200–1800 мин^–1 наблюдается наибольшее расхождение, которое не превышает 7 %. Сравнение данных на рис. 12 показывает расхождение теоретических и экспериментальных данных в пределах 1 %.

Для проведения экспериментальных исследований были выбраны: 1) обкаточно-тормозной стенд КИ-5543 с измерительными приборами; 2) дизельный двигатель Д-240 трактора МТЗ-80; 3) дымомер «Инфракар Д1» и газоанализатор «Infralight 11P».

Расчет и конструирование

В результате экспериментальных исследований установлено: снижение дымности ОГ дизельного двигателя Д-240 трактора МТЗ-80 на номинальной частоте вращения коленчатого вала:

– при отключении подачи топлива во 2-й и 3-й цилиндры на 38 %;

– при одновременном отключении топлива и приводов ГРМ 2-го, 3-го цилиндров на 30 %.

Обсуждение и применение. В практике эксплуатации автотракторной техники известны проблемы выполнения достаточно широкого перечня выполняемых работ и требуемых режимов эксплуатации. Работы, направленные на рациональный выбор грузоподъемности автомобилей, тягового класса тракторов не приводят к желаемой эффективной загрузке двигателя. В результате при работе на холостом ходу и малых нагрузках не обеспечивается заданная экономичность. Кроме того, показатели токсичности превышают допустимый порог на 10–30 %. Необходимы мероприятия по снижению токсичности и повышению топливной экономичности двигателей с низкими нормами Евро. Одним из наиболее эффективных мероприятий является использование комплексного метода полного и частичного отключения части цилиндров при эксплуатации ДВС на холостом ходу и малых нагрузках. Индивидуальная разработка мероприятий отключения топли-воподачи и привода ГРМ, конкретно под каждую машину с учетом особенности режимов работы автотракторных средств и специфики их условий является актуальной задачей.

Теоретические и экспериментальные исследования, приведенные в данных материалах, решены для дизельного двигателя трактора Д-240. Однако при уточнении в экспериментальных условиях могут быть распространены на любые дизельные и бензиновые двигатели, а также перспективные новые модели, эксплуатирующиеся при недозагрузках.

Статья выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011.