Влияние метанола на оксиды азота при сгорании в цилиндре дизеля

В работе приводятся результаты расчетов объемного содержания, массовой концентрации оксидов азота, осредненной температуры и давления газов в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 выполненных по результатам экспериментальных данных при работе на дизельном топливе и на метаноле с двойной системой топливоподачи в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала на режиме максимального крутящего момента при частоте вращения 1400 мин^-1.

Ключевые слова: дизель, альтернативное топливо, метанол, оксиды азота, объемное содержание и массовая концентрация оксидов азота, двойная система топливоподачи.

При проведении исследований по улучшению экологических показателей дизелей необходимо уделять внимание снижению содержания в отработавших газах (ОГ) оксидов азота NO_x, поскольку они являются наиболее токсичными компонентами среди всего спектра загрязняющих химических соединений, содержащихся в ОГ, так как образуются в процессе горения, как результат химических реакций атмосферных кислорода и азота. Наиболее эффективным способом применения метанола в двигателях внутреннего сгорания в настоящее время является подача его непосредственно в цилиндр дизеля с использованием двойной системы топливоподачи (ДСТ), позволяющая замещать до 50…80 % нефтяного топлива. Воспламенение метанола при этом происходит за счет подачи запальной порции (пилотной) дизельного топлива (ДТ). Данный способ при некоторых изменениях и дополнениях в конструкцию дизеля может быть реализован на двигателях, уже находящихся в эксплуатации.

Результаты исследований по изучению влияния применения метанола на показатели процесса сгорания и содержание оксидов азота в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 воздушного охлаждения с полусферической КС в поршне при использовании ДСТ и впрыскивании ДТ (запального) через многоструйную форсунку в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала на различных установочных углах опережения впрыскивания топлива представлены в настоящей работе [1,2,3,4,5].

Графики объемного содержания r _NOх, массовой концентрации С _NOх оксидов азота, рассчитанных по результатам экспериментальных данных, осредненной температуры и давления газов в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на ДТ и на метаноле с ДСТ в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала для номинальной частоты вращения 1400 мин^-1 при установочных УОВТ Θ_дт = 30º; Θ_м = 30º представлены на рисунке 1.

Если для дизеля при работе на ДТ и оптимальном установочном УОВТ максимальное давление цикла р_zmax = 7,03 МПа и достигается при значении угла j _Рzmax = 6,0º после в. м.т., то при работе дизеля на метаноле с ДСТ оно равно только р_zmax = 6,52 МПа и достигается при j _Рzmax = 10,5º после в. м.т. Максимальная осредненная температура цикла Т_max для дизеля при работе на ДТ составляет 1850 К и наблюдается при угле j _iTmax = 16,0º после в. м.т., при работе дизеля на метаноле с ДСТ значение Т_max = 1860 К достигается при угле j _iTmax = 21,0 º после в. м.т.

Из представленных на графиках кривых видно, что максимальное значение объемного содержания r _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ДТ составляет 664 ppm при φ = 19,0 º п. к.в. после в. м.т., а максимальное значение массовой концентрации С_NOх оксидов азота при этом же значении угла составляет 0,96 г/м³.

Значение объемного содержания r _NOх и массовой концентрации С _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ДТ при φ = 140,0 º п. к.в. после в. м.т. (выходное значение r _NOх и С _NOх в момент открытия выпускного клапана) составляет соответственно 511 ppm и 0,73 г/м³.

 — дизельный процесс;  — метанол с запальным ДТ

Рис. 1. Влияние применения метанола в дизеле 2Ч 10,5/12,0 при работе с ДСТ на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала двигателя при Θ_дт = 30 º; Θ_м = 30 º; n = 1400 мин^-1:

Из представленных на графиках кривых видно, что максимальное значение объемного содержания r _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле с ДСТ составляет 429 ppm при φ = 24,0º п. к.в. после в. м.т., а максимальное значение массовой концентрации С _NOх оксидов азота при этом же значении угла составляет 0,62 г/м³. Снижение составляет 36 % для каждого показателя.

Значение объемного содержания r _NOх и массовой концентрации С _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле с ДСТ при φ = 140,0º п. к.в. после в. м.т. (выходное значение r _NOх и С _NOх в момент открытия выпускного клапана) составляет соответственно 330 ppm и 0,47 г/м³. Снижение составляет также 36 % для каждого показателя.

Графики объемного содержания r _NOх, массовой концентрации С _NOх оксидов азота, рассчитанных по результатам экспериментальных данных, осредненной температуры и давления газов в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала при работе по дизельному процессу и на метаноле с ДСТ для частоты вращения 1400 мин^-1 при Θ_дт = 34 º; Θ_м = 34 º представлены на рисунке 2.

Если для дизеля при работе на ДТ и оптимальном установочном УОВТ максимальное давление цикла р_zmax = 7,03 МПа и достигается при значении угла j _Рzmax = 6,0º после в. м.т., то при работе дизеля на метаноле с ДСТ оно равно только р_zmax = 7,34 МПа и достигается при j _Рzmax = 7,8 º после в. м.т. Максимальная осредненная температура цикла Т_max для дизеля при работе на ДТ составляет 1850 К и наблюдается при угле j _iTmax = 16,0º после в. м.т., при работе дизеля на метаноле с ДСТ значение Т_max = 1918 К достигается при угле j _iTmax = 18,0 º после в. м.т.

 — дизельный процесс;  — метанол с запальным ДТ

Рис. 2. Влияние применения метанола в дизеле 2Ч 10,5/12,0 при работе с ДСТ на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала двигателя при Θ_дт = 34 º; Θ_м = 34 º; n = 1400 мин^-1

Из представленных на графиках кривых видно, что максимальное значение объемного содержания r _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ДТ составляет 664 ppm при φ = 19,0 º п. к.в. после в. м.т., а максимальное значение массовой концентрации С _NOх оксидов азота при этом же значении угла составляет 0,96 г/м³.

Значение объемного содержания r _NOх и массовой концентрации С _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ДТ при φ = 140,0 º п. к.в. после в. м.т. (выходное значение r _NOх и С _NOх в момент открытия выпускного клапана) составляет соответственно 511 ppm и 0,73 г/м³.

Из представленных на графиках кривых видно, что максимальное значение объемного содержания r _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле с ДСТ составляет 426 ppm при φ = 21,0º п. к.в. после в. м.т., а максимальное значение массовой концентрации С _NOх оксидов азота при этом же значении угла составляет 0,61 г/м³. Снижение составляет 35,9 % для каждого показателя.

Значение объемного содержания r _NOх и массовой концентрации С _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле с ДСТ при φ = 140,0º п. к.в. после в. м.т. (выходное значение r _NOх и С _NOх в момент открытия выпускного клапана) составляет соответственно 328 ppm и 0,47 г/м³. Снижение составляет также 35,9 % для каждого показателя.

Графики объемного содержания r _NOх, массовой концентрации С _NOх оксидов азота, рассчитанных по результатам экспериментальных данных, осредненной температуры и давления газов в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала при работе по дизельному процессу и на метаноле с ДСТ для частоты вращения 1400 мин^-1 при Θ_дт = 38 º; Θ_м = 38 º представлены на рисунке 3.

Если для дизеля при работе на ДТ и оптимальном установочном УОВТ максимальное давление цикла р_zmax = 7,03 МПа и достигается при значении угла j _Рzmax = 6,0º после в. м.т., то при работе дизеля на метаноле с ДСТ оно равно только р_zmax = 7,76 МПа и достигается при j _Рzmax = 7,0 º после в. м.т. Максимальная осредненная температура цикла Т_max для дизеля при работе на ДТ составляет 1850 К и наблюдается при угле j _iTzmax = 16,0 º после в. м.т., при работе дизеля на метаноле с ДСТ значение Т_max = 2025 К достигается при угле j _iTzmax = 16,0 º после в. м.т.

Из представленных на графиках кривых видно, что максимальное значение объемного содержания r _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ДТ составляет 664 ppm при φ = 19,0 º п. к.в. после в. м.т., а максимальное значение массовой концентрации С _NOх оксидов азота при этом же значении угла составляет 0,96 г/м³.

 — дизельный процесс;  — метанол с запальным ДТ

Рис. 3. Влияние применения метанола в дизеле 2Ч 10,5/12,0 при работе с ДСТ на показатели процесса сгорания, объемное содержание и массовую концентрацию оксидов азота в цилиндре в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала двигателя при Θ_дт = 38º; Θ_м = 38 º; n = 1400 мин^-1

Значение объемного содержания r _NOх и массовой концентрации С _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на ДТ при φ = 140,0 º п. к.в. после в. м.т. (выходное значение r _NOх и С _NOх в момент открытия выпускного клапана) составляет соответственно 511 ppm и 0,73 г/м³.

Из представленных на графиках кривых видно, что максимальное значение объемного содержания r_NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле с ДСТ составляет 447 ppm при φ = 19,0º п. к.в. после в. м.т., а максимальное значение массовой концентрации С_NOх оксидов азота при этом же значении угла составляет 0,64 г/м³. Снижение составляет 32,7 % для каждого показателя. Значение объемного содержания r _NOх и массовой концентрации С _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле с ДСТ при φ = 140,0º п. к.в. после в. м.т. (выходное значение r _NOх и С _NOх в момент открытия выпускного клапана) составляет соответственно 344 ppm и 0,49 г/м³. Снижение составляет также 32,7 % для каждого показателя.

Расчетами по результатам экспериментальных исследований для снижения объемного содержания r _NOх и массовой концентрации С _NOх оксидов азота в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле с ДСТ на режиме максимального крутящего момента определены значения оптимальных установочных УОВТ: для ДТ — 34 º п. к.в., для метанола — 34 º п. к.в. для сохранения мощностных показателей на уровне серийного дизеля на номинальном режиме при подачах запальной порции ДТ в количестве 7 % и метанола — 93 %. При этом достигается экономия ДТ до 87 % путем замены его метанолом.

Таким образом, при горении в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 двух видов топлива — метанола и дизельного топлива, можно достичь существенного снижения в цилиндре объемного содержания r_{NOх расч} и массовой концентрации С_{NOх расч} оксидов азота, что подтверждается их значениями в зависимости от изменения от угла поворота коленчатого вала двигателя. Максимальные значения р_zmax и Т_max сдвигаются существенно вправо от в. м.т. на линию расширения, что не может не сказаться на характере изменения кривых r_NOх и С_NOх и их максимальных значениях, а также углах φ при которых они достигаются. Экспериментально и расчетным путем подтверждается, что образование и разложение оксидов азота происходит в увеличивающемся объеме при расширении газов в цилиндре дизеля, что объясняет существенное снижение их содержания в отработавших газах при работе на метаноле с ДСТ.

Литература:

1.         Анфилатов А. А., Лиханов В. А., Лопатин О. П. Исследование процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 путем применения метанола с двойной системой топливоподачи: Монография. — Киров: Вятская ГСХА, 2008. — 154 с.

2.         Изменение образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на метаноле / В. А. Лиханов, А. А. Анфилатов // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 4. С. 3–5.

3.         Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля путём применения метанола с использованием двойной системы топливоподачи / В. А. Лиханов, О. П. Лопатин, А. А. Анфилатов // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 5. С. 5–8.

4.         Анфилатов А. А., Лиханов В. А., Лопатин О. П. Исследование процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля 2Ч 10,5/12,0 путем применения метанола с двойной системой топливоподачи: Монография. — Киров: Вятская ГСХА, 2008. — 154 с.

5.         Улучшение экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 при работе на метаноле / В. А. Лиханов, А. Н. Чувашев, А. А. Глухов, А. А. Анфилатов // Тракторы и сельхозмашины. 2007. № 3. С. 4–5.