Влияние регулировочных параметров на токсичность отработавших газов дизеля воздушного охлаждения

Сельскохозяйственные и промышленные тракторы эксплуатируются в большинстве случаев вне густонаселенных территорий и с низкой плотностью машин на единицу площади. Тем не менее в настоящее время во многих странах мира приняты стандарты, ограничивающие выбросы вредных веществ с отработавшими газами двигателей внедорожной техники (см. табл. 1). Особенно жесткие ог-

раничения действуют в США, Японии и странах Западной Европы. В России двигатели внедорожной техники с 1 января 2008 г. должны по выбросам вредных веществ удовлетворять требованиям ГОСТа Р 41.96-2005 [3] (см. строку 1 в табл. 2), которые примерно соответствуют нормам федеральных стандартов Tier 1/Stage 1 [6]. Эти стандарты были приняты в США, Японии и Западной Европе в

1994 году. Под их действие подпадали силовые агрегаты мощностью свыше 37 кВт (50 л.с.). Нормы внедрялись поэтапно в период с 1996 по 2000 год. В 1998 г. были введены стандарты Tier 1 для двигателей мощностью ниже 37 кВт (50 л.с.) и более жесткие Tier 2 и Tier 3 для всех двигателей. Tier 2 и Tier 3 решено было вводить в действие поэтапно – с 2000 по 2008 год.

Управление по защите окружающей среды США в 2004 г. подписало нормы Tier 4 на токсичность отработавших газов, которые должны быть введены в действие поэтапно в период с 2008 по 2015 год. Стандарты Tier 4

устанавливают уровни содержания сажи и оксидов азота, которые на 90 % ниже, чем в нормах Tier 3 [7].

Такая жесткая экологическая политика, как в США, не свойственна отечественному двигателестроению по ряду причин: недостаточно высокое качество продукции моторостроительных заводов, работа внедорожной техники на территориях, где низкая плотность народонаселения, в том числе в обширных районах Крайнего Севера. В настоящее время в России действует ГОСТ Р 41.96-2011 [4], нормы токсичности для которого приведены в таблице 2 (строка 2).

Таблица 1

Стандарты дымности и токсичности отработавших газов для дизельных двигателей, предназначенных для установки на внедорожную технику

Регион	2011 г.       1 2012 г. 1 2013 г. п 2014 г. п    2015 г.
Сев. Америка и Зап. Европа 19…37 кВт 37…56 кВт 56…130 кВт 130…560 кВт Свыше 560 кВт только Сев. Америка
	Tier 4 Interim/Stage IIIA		Tier 4 Final/Stage IIIA
	Tier 4 Interim/Stage IIIA		Tier 4 Final/Stage IIIB
	Tier 3/Stage IIIA	Tier 4 Interim/Stage IIIB		Tier 4 Final/Stage IV (окт. 2014 г.)
	Tier 4 Final/Stage IIIB                  1 Tier 4 Final/Stage IV
	Tier 4 Interim			Tier 4 Final
Япония	Tier 3/Stage IIIA		Tier 4 Interim/Stage IIIB	Tier 4 Final/Stage IV
Мексика	Не регламентируется Tier2/Stage
Китай	SEPA Stage II подобно Tier2/Stage II
Индия (крупные города)	Bharat (CEV) Stage III/Tier2-Tier3/ Stage II – Stage IIIA
Латинская Америка	Не регламентируется Tier 1/Stage I
Ближний Восток	Не регламентируется Tier 1/Stage I
Африка	Не регламентируется Tier 1/Stage I
Россия	ГОСТ Р. 41.96-99 подобен Tier 1/Stage I
Австралия	Tier 1/Stage I

Примечание. Источник: Станкевич С. Стандарты токсичности в США. Дизельные двигатели внедорожных машин // Основные средства : сетевой журн. 2004. URL: 2004_09_A_2004_12_14-19_20_25/.

Таблица 2

Значения выбросов вредных веществ для дизельных двигателей, предназначенных для установки на внедорожную технику

№	Мощность Nе, кВт	Оксид углерода СО, г/кВт*ч	Углеводороды СН, г/кВт*ч	Оксиды азота NO , x г/кВт*ч	Вредные частицы РМ, г/кВт*ч
1	Nе ≥ 130	5	1,3	9,2	0,54
2	560 ≥ Nе ≥ 130	3,5	1	6	0,2

Рассмотрим двигатель 8ЧВН 15/16, который выпускался на Волгоградском моторном заводе с 1968 по 2006 г. и имел ряд модификаций [5]. Экологические нормативы, действовавшие в этот период, технические условия на двигатель и фактические экологические показатели двигателя приведены в таблице 3. Как видно, фактический экологический уровень данного двигателя (модификация В-400), равно как и технические условия на двигатель, соответствуют параметрам, заложенным в ГОСТе 17.2.2.05-97. Наиболее токсичными в отработавших газах дизеля являются оксиды азота NOx, они же наиболее приближены к предельным нормам.

На экологические показатели двигателя оказывает влияние не только качество используемых узлов, но и сочетание регулировочных параметров топливной аппаратуры. Степень их влияния на дымность и токсичность дизеля может быть оценена экспериментально. Эти работы были проведены на развернутом двигателе 8ЧВН 15/16 (далее – двигатель В-400) с его настройкой на экологичную и экономичную модификации.

Двигатель комплектовался следующими узлами:

• 1.    Топливными насосами высокого давления «Motorpal» РV8В11К915j526 (диаметр плунжера 11 мм, ход 12 мм) и «Bosch» РЕ8-Р120А50/4RS 7010 (диаметр плунжера 12 мм, ход 12 мм).

• 2.    Фосунками ФД-22 с тремя вариантами распылителей:

  – фирмы «Bosch» µ f = 0,38–0,40 мм², диаметр иглы 5 мм;

  – ЧЗТА µ f = 0,38–0,40 мм², диаметр иглы 6 мм;

  – ЧЗТА µ f = 0,44–0,46 мм², диаметр иглы 6 мм.

• 3.    Турбокомпрессором S3A «Shcvitzer», максимальный КПД компрессора η _к= 0,77 в диапазоне Gв = 0,18–0,34 кг/с при π _к= 1,65– 2,48, проходное сечение турбины S = 25 мм².

• 4.    Турбокомпрессором H1E «Holset», максимальный КПД компрессора η _к= 0,79 в диапазоне Gв = 0,15–0,26 кг/с при π _к= 1,52– 2,62, проходное сечение турбины S = 25 мм².

• 5.    Турбокомпрессором H2В «Holset», максимальный КПД компрессора η _к= 0,75 в диапазоне Gв = 0,06–0,14 кг/с при π _к= 1,20– 1,98, проходное сечение турбины S = 25 мм².

• 6.    Турбокомпрессором ТКР8,5С-7 Дерга-чевского завода турбокомпрессоров, максимальный КПД компрессора п _к = 0,68 в диапазоне Gв = 0,18-0,24 кг/с при п к 1,60-1,90, проходное сечение турбины S = 24 мм².

Таблица 3

Значения экологических параметров для двигателя В-400

№ п/п	Значение удельных выбросов по Г ОСТам	Оксид углерода СО, г/кВт*ч	Углеводороды СН, г/кВт*ч	Оксиды азота NO x , г/кВт*ч	Дымность***, %
1	ГОСТ 17.2.2.05-97 (неограниченный воздухообмен)*	10	3	18	36,7–63,8
2	ГОСТ 17.2.2.05-97 (ограниченный воздухообмен)*	4	1,5	9	21,6–55,2
3	ГОСТ 17.2.2.05-97 (неограниченный воздухообмен)**	14	4,5	18	63,8
4	ГОСТ 17.2.2.05-97 (ограниченный воздухообмен)**	5,6	2,2	9	55,2
5	ТУ 23.3.16-87 на В-400	8	3	15	33
6	Фактический экологический уровень В-400 (декабрь 1992 г.)	2,5–5,8	0,93–1,83	14–18	28–48

Примечание. Приведены значения удельных выбросов: * – вновь изготовленных и капитально отремонтированных дизелей; ** – для двигателей, находящихся в эксплуатации; *** – в соответствии с ГОСТ 17.2.2.02-98. Источник: Bakhracheva Yu. S. Fracture toughness prediction by means of indentation test // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2013. Т. 9, № 3. С. 21–24.

Двигатель укомплектован поршнями с камерой сгорания ЦНИДИ. Отметим, что расход воздуха двигателем В-400 на номинальном режиме составляет 0,25–0,28 кг/с для одного ряда цилиндров.

До проведения моторных испытаний осуществлялась подготовка топливной аппаратуры.

На проливочном стенде Р17.03 «HARTRIDGE» проводились испытания распылителей. Определялись подвижность иглы, величина ее максимального подъема, а также эффективное проходное сечение распылителей ц f_р. Определение f проводилось путем замера расхода испытательного масла через распылитель при полном подъеме иглы и постоянном давлении (50 Бар). Далее распылители устанавливались в корпуса форсунок и на стенде НН601 «HARTRIDGE» регулировалось требуемое давление начала подъема иглы, оценивались качество распыла топлива, подвижность иглы, герметичность запорного конуса, гидроплотность форсунки.

На безмоторном стенде НА2500 «HARTRIDGE» проводились испытания топливных насосов. Стендовые испытания ТНВД «Motorpal» РV8В11К915j526 и «Bosch» РЕ8-Р120А50/4RS 7010 осуществлялись в комплекте с форсунками ФД-22 и распылителями, имеющими эффективное проходное сечение цг= 0,4 мм2. Помимо оценки ТНВД на соответствие техническим условиям выполнялась их дополнительная регулировка по неравномерности топливоподачи 8 < 3 %. Пример ос- циллограмм изменения параметров в топливной аппаратуре приведен на рисунке 1.

Испытания показали, что ТНВД «Bosch» обладает лучшими характеристиками: большим давлением топливоподачи Р т = 625 кг/см² ( ц f = 0,385 мм²)против Р т =460 кг/см² ( ц f= 0,390 мм²) у ТНВД «Motorpal». Соответственно и максимальные давления впрыскивания у ТНВД «Bosch» выше: Р_ф = 590 кг/см², а у ТНВД «Motorpal» – Р_ф = 405 кг/см². Большие давления топливоподачи у ТНВД «Bosch» обусловливают меньшую продолжительность впрыскивания: 20,4° пкв против 24,4° пкв у ТНВД «Motorpal».

Моторные испытания. Методика проведения моторных испытаний определяла регистрацию всех параметров двигателя при постоянной номинальной мощности, равной Nе= 305 ± 3 кВт при n = 1 700 мин^-1. Для повышения степени достоверности результатов параметры номинального режима измерялись пятикратно, а также выдерживались следующие условия при работе двигателя для всех сочетаний варьируемых конструктивных и регулировочных параметров:

• –    температура воздуха на входе в двигатель: t _окр= 30 + 2 °С;

• –    температура масла на выходе из двигателя: t _м = 90 ± 1 °С;

• –    частота вращения вентилятора: n _в= 4 070 – 4 150 мин^-1.

С целью исключения случайных погрешностей на номинальном режиме параметры двигателя измерялись пятикратно и усреднялись.

Моторные испытания двигателя В-400 были выполнены в несколько этапов. На первом этапе были сняты регулировочные характеристики по углу опережения впрыска топлива 9 _впр при различных давлениях начала подъема иглы форсунки Р_ф. Двигатель комплектовался ТНВД «Bosch», распылителями ЧЗТА с ц f = 0,39 мм², ТКР S3A.

Выполним оценку влияния давления начала подъема иглы форсунки и угла опережения впрыска топлива 9 _впр при экономичном и малотоксичном режимах работы на параметры двигателя В-400. Определим целевые значения топливной экономичности и удельные выбросы оксидов азота на номинальном режиме следующими значениями: g_е = 214 г/ кВт*ч, g_NOx= 15 г/кВт*ч согласно техническим условиям на двигатель В-400.

Рис. 1. Осциллограммы давления топлива в штуцере ТНВД (Рн), штуцере форсунки (Рф), хода игры распылителя hи:

n = 850 мин^-1; q = 195 мм³/цикл; µ fр = 0,385 мм²; h_и = 0,35 мм; Рн_мах = 62,5 МПа; Рф_мах = 59 МПа; ϕ в_пр = 10,2°

На рисунках 2 и 3 приведены регулировочные характеристики по углу опережения впрыска топлива при различном давлении начала подъема иглы форсунки Рф. Используя полученные зависимости, можно получить линии целевых значений по экономичности и токсичности, которые приведены на рисунке 4. Более развернутая информация по влиянию давления начала подъема иглы форсунки на токсичность и дымность ОГ при ограничении по gе (экономичный режим работы двигателя) представлена в таблицах 4 и 5.

Эмиссия оксидов азота, определяемая главным образом максимальной температурой цикла, как правило, находится в обратной зависимости к уровню топливной экономичности двигателя. Рассмотрим данные таблицы 4. Здесь наблюдается несколько иная картина. С увеличением давления начала подъема иглы форсунки (с учетом минимизации gе) происходит снижение удельных выбросов оксидов азота (около 2 г/кВт*ч), хотя их уровень и остается высоким. Также снижается дымность отработавших газов на 10 %, определяемая преимущественно параметрами топливоподачи и величиной коэффициента избытка воздуха. Можно отметить улучшение протекания рабочего процесса, подтверждением чего является некоторое снижение gе. Одновременно идет уменьшение угла опережения впрыска топлива, следствием чего стало значительное снижение Pz. При определенных сочетаниях Рф и θ вп р возможно синхронное снижение таких параметров, как gеон, gNOx, N, Pz. Улучшение протекания РП происходит одновременно с уменьшением выбросов NOx. Это можно объяснить более сильным влиянием на NOx уменьшения θвпр, а не улучшением процесса сгорания и связанным с этим ростом максимальных температур цикла. Удельные выбросы углеводородов растут с 0,5 до 1,1 г/кВт*ч. Закономерного влияния Рф на gСО не выявлено.

Рис. 2. Регулировочная характеристика по углу опережения впрыска топлива:

1 – Рф = 13,5 МПа; 2 – Рф = 18,5 МПа; 3 – Рф = 28,5 МПа

Рис. 3. Регулировочная характеристика по углу опережения впрыска топлива:

1 – Рф = 13,5 МПа; 2 – Рф = 18,5 МПа; 3 – Рф = 28,5 МПа

Рис. 4. Зависимость оптимального угла опережения впрыска топлива от затяжки иглы форсунки: 1 – линия, определяющая g _е= 214 г/кВт*ч; 2 – линия, определяющая g_NOx= 15 г/кВт*ч

Таблица 4

Влияние давления начала подъема иглы форсунки при экономичном режиме работы двигателя на параметры двигателя В-400

Р ф Бар	Θ впр ºпкв	g еон г/кВт*ч	g NOx г/кВт*ч	g СО г/кВт*ч	g СН г/кВт*ч	N %	P z Бар	R x Бар/ ºпкв
135	33	213	21,5	3,0	0,5	26	125	5,2
160	31	214	23,0	1,8	0,8	18	122	5,1
185	30	214	21,0	1,6	0,7	24	113	5,3
210	29	214	21,0	2,0	0,8	16	115	5,5
235	28	214	21,0	1,5	0,8	16	114	5,3
260	27	214	20,5	1,5	0,9	12	108	4,3
285	26	213	20,0	1,8	1,1	16	114	5,1

Таблица 5

Влияние давления начала подъема иглы форсунки при экологичном режиме работы двигателя на параметры двигателя В-400

Р ф Бар	Θ впр ºпкв	g еон г/кВт*ч	g NOx г/кВт*ч	g СО г/кВт*ч	g СН г/кВт*ч	N %	P z Бар	R x Бар/ ºпкв
135	26	217	15,0	1,4	0,85	20	100	3,0
160	25	215	15,0	1,5	0,75	16	109	3,9
185	25	218	15,0	1,4	0,75	–	99	4,0
210	24	217	15,0	1,6	1,00	18	106	4,4
235	23	216	15,0	1,5	0,90	18	101	3,8
260	23	217	15,0	1,4	0,90	16	102	4,8
285	22	215	15,0	1,8	1,05	19	105	4,1

В таблице 5 представлена расширенная информация по влиянию давления начала подъема иглы форсунки на токсичность и дымность ОГ при ограничении по gNOx (малотоксичный режим работы двигателя).

Как видно из таблицы 5, увеличение Рф от 135 до 285 Бар при установке θвпр, обеспечивающего gNOx =15 г/кВт*ч, не приводит к заметному изменению удельных выбро- сов СН и СО, а также дымности ОГ. Вследствие меньших углов опережения впрыска топлива Pz находится на уровне 100–105 Бар. В этом же диапазоне изменения Рф имеет место тенденция к снижению gе примерно на 2 г/кВт*ч. При этом абсолютный уровень gе выше на 2–3 г/кВт*ч, чем при θвпр, обеспечивающем экономичный режим работы двигателя. При увеличении давления нача- ла подъема иглы форсунки (см. рис. 4) оптимальные углы опережения впрыска топлива θвпрge и θвпрNOx уменьшаются, наблюдается тенденция к их сближению.

При эксплуатации дизельных двигателей для внедорожной техники можно условно выделить три зоны: густонаселенную, отдаленные районы с малой плотностью населения и трудностью доставки грузов, зоны промышленных разработок с обустроенной инфраструктурой, что предъявляет различные требования к характеристикам двигателя. В данной работе показано, что для дизеля воздушного охлаждения большой мощности имеются достаточно простые регулировки, позволяющие настраивать двигатель на требуемые режимы работы. Рассмотрено влияние давления начала подъема иглы форсунки и угла опережения впрыска топлива при настройке двигателя на экономичный и малотоксичный режимы работы. Так же показано, что при определенных сочетаниях регулировочных параметров двигателя возможно синхронное снижение как вредных выбросов, так и максимальных давлений сгорания, что способствует увеличению ресурса силовой установки.