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 NOx, 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 Θдт = 30º; Θм = 30º представлены на рисунке 1.
Если для дизеля при работе на ДТ и оптимальном установочном УОВТ максимальное давление цикла рzmax = 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 рzmax = 6,52 МПа и достигается при j Рzmax = 10,5º после в. м.т. Максимальная осредненная температура цикла Тmax 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 Тmax = 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 СNOх 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 Θдт = 30 º; Θм = 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 Θдт = 34 º; Θм = 34 º представлены на рисунке 2.
Если для дизеля при работе на ДТ и оптимальном установочном УОВТ максимальное давление цикла рzmax = 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 рzmax = 7,34 МПа и достигается при j Рzmax = 7,8 º после в. м.т. Максимальная осредненная температура цикла Тmax 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 Тmax = 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 Θдт = 34 º; Θм = 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 Θдт = 38 º; Θм = 38 º представлены на рисунке 3.
Если для дизеля при работе на ДТ и оптимальном установочном УОВТ максимальное давление цикла рzmax = 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 рzmax = 7,76 МПа и достигается при j Рzmax = 7,0 º после в. м.т. Максимальная осредненная температура цикла Тmax 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 Тmax = 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 Θдт = 38º; Θм = 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 rNOх 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 СNOх 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 rNOх расч и массовой концентрации СNOх расч оксидов азота, что подтверждается их значениями в зависимости от изменения от угла поворота коленчатого вала двигателя. Максимальные значения рzmax и Тmax сдвигаются существенно вправо от в. м.т. на линию расширения, что не может не сказаться на характере изменения кривых rNOх и СNOх 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.
