Улучшение экологических показателей дизеля путем применения природного газа и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха

В работе представлены результаты применения компримированного природного газа и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха на экологические показатели дизеля Д — 245.7 размерности 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива.

Ключевые слова:дизель, газодизель, природный газ, наддув, экологические показатели.

В настоящее время уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми промышленными предприятиями и автомобильными транспортом, является одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством. В вятской государственной сельскохозяйственной академии на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования по влиянию применения компримированного природного газа (КПГ) и промежуточного охлаждения наддувочного воздуха (ПОНВ) на экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 [1–4].

Содержание токсичных компонентов в отработавших газах (ОГ) дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) для номинальной частоты вращения (n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа) и частоты вращения при максимальном крутящем моменте (n = 1700 мин ^-1, р_е = 1,036 МПа) представлено на рис. 1 [5, 6].

Как видно из графиков при всех значениях установочных УОВТ при работе дизеля на КПГ в ОГ происходит снижение содержания оксидов азота, сажи, но происходит рост суммарных углеводородов, оксида и диоксида углерода. Эта тенденция наблюдается как при номинальной частоте вращения (n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа), так и при частоте вращения максимального крутящего момента (n = 1700 мин ^-1, р_е = 1,036 МПа) [7].

Снижение содержания оксидов азота в ОГ на 15…20 % при работе дизеля на КПГ при возрастающей температуре в цилиндре дизеля связано с температурной неравномерностью в зоне продуктов сгорания, а также с тем, что время нахождения продуктов сгорания в зоне максимальных температур снижается вследствие интенсификации процесса сгорания. При совместном использовании наддува и ПОНВ увеличивается скорость охлаждения продуктов сгорания, так как топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндр, имеет более низкую температуру, снижается коэффициент избытка воздуха α [8–17].

Содержание СН_х в ОГ дизеля с увеличением установочного УОВТ в целом снижается, как при работе дизеля на дизельном топливе (ДТ), так и на КПГ, но при работе дизеля на КПГ содержание СН_х в ОГ в 10…20 раз выше по сравнению с работой на ДТ. Дымность ОГ при работе дизеля на ДТ с увеличением установочного УОВТ снижается. При работе дизеля на КПГ дымность ОГ практически не зависит от установочного УОВТ и ниже по сравнению с работой на ДТ при том же установочном УОВТ. Это объясняется высокой турбулизацией заряда, приводящей к интенсификации процессов выгорания сажевых частиц в цилиндре при работе дизеля на КПГ. Содержание СО в ОГ с увеличением установочного УОВТ возрастает как при работе дизеля на ДТ, так и при работе на КПГ.

                                    а                                                                            б

Рис. 1. Влияние применения КПГ на содержание токсичных компонентов ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ в зависимости от изменения установочного УОВТ: а — n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа; б — n = 1700 мин ^-1, р_е = 1,036 МПа; —— - дизельный процесс, – – – - газодизельный процесс

Закономерности изменения содержания токсичных компонентов с увеличением установочного УОВТ на режиме максимального крутящего момента (рис. 1, б) аналогичны закономерностям изменения содержания токсичных компонентов на режиме номинальной частоты вращения [18–20].

По показателям содержания оксидов азота и показателям процесса сгорания, с учетом эффективных показателей был принят оптимальный установочный УОВТ Θ_впр = 7º до верхней мертвой точки (ВМТ) для работы на КПГ и Θ_впр = 9º до ВМТ для работы на ДТ.

Сравнивая оптимальные установочные УОВТ (оптимальный установочный УОВТ Θ_впр = 7º до ВМТ для работы на КПГ и Θ_впр = 9º до ВМТ для работы на ДТ), следует отметить, что при n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа при работе КПГ содержание СО в ОГ составляет 0,10 %. При работе дизеля на ДТ — 0,029 %. Разница равна 0,071 %. Содержание СО₂ в ОГ при работе дизеля на данном режиме на ПГ составляет 4,72 %, при работе дизеля на ДТ — 3,75 %. Разница составляет 0,97 %. Содержание СН_х в ОГ при работе дизеля на КПГ составляет 0,20 %, при работе дизеля на ДТ — 0,016 %. Разница составляет 0,184 %. Содержание NO_x в ОГ при работе дизеля на КПГ составляет 499 ppm, при работе дизеля на ДТ — 650 ppm. Таким образом, снижение содержания оксидов азота при работе дизеля на КПГ на установочном УОВТ Θ_впр = 9º до в. м.т., n = 2400 мин ^-1, р_е = 0,947 МПа составляет 151 ppm или 23 %. Дымность ОГ при работе дизеля на данном режиме на КПГ составляет 0,95 единицы по шкале Bosch, при работе дизеля на ДТ — 1,95 единицы по шкале Bosch. Разница составляет 1,00 единицы по шкале Bosch, т. е. снижение дымности при работе дизеля на данном режиме на ПГ составляет 51 %. При работе дизеля на КПГ скорость выгорания сажи в цилиндре значительно выше, соответственно и ее концентрация в цилиндре к моменту открытия выпускного клапана становится существенно ниже, чем при работе дизеля на ДТ [21–24].

Таким образом, установочный УОВТ оказывает значительное влияние на содержание токсичных компонентов в ОГ дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ как при работе дизеля на ДТ, так и при работе дизеля на КПГ. Поэтому с точки зрения снижения содержания оксидов азота необходимо уменьшать значение установочного УОВТ. Для снижения дымности ОГ необходимо увеличивать значение установочного УОВТ, но при этом необходимо учитывать значения показателей процесса сгорания и, прежде всего, «жесткости» процесса сгорания. Подводя итоги полученных результатов, можно оценить влияние применения КПГ в качестве моторного топлива в дизеле 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ на экологические показатели работы дизеля. Можно отметить, что совместное использование КПГ и турбонаддува с ПОНВ позволяет значительно снизить содержание оксидов азота в ОГ, дымность ОГ и тем самым улучшить экологические показатели дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с ПОНВ.

Литература:

1.         Лиханов В. А., Лопатин О. П., Скрябин М. Л. Исследование процессов образования и разложения оксидов азота в цилиндре дизеля 4ЧН 11,0/12,5 с промежуточным охлаждением надувочного воздуха при работе на природном газе: Монография / Под общей редакцией В. А. Лиханова. — Киров: Вятская ГСХА, 2008. — 150 с.

2.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей тракторного дизеля путем применения природного газа и рециркуляции отработавших газов, метаноло- и этаноло-топливных эмульсий // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 3. С. 3–6.

3.         Лопатин О. П. Применение природного газа и рециркуляции отработавших газов для снижения токсичности тракторного дизеля // Молодой ученый. 2015. № 6–5 (86). С. 11–13.

4.         Лопатин О. П. Влияние применения природного газа и рециркуляции отработавших газов, метаноло- и этаноло-топливных эмульсий на содержание токсичных компонентов в отработавших газах тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 // Молодой ученый. 2015. № 6–5 (86). С. 13–15.

5.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Исследование скоростного режима дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией, метаноло- и этаноло топливных эмульсиях // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 3 (16). С. 24–26.

6.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Исследование экологических показателей дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией, метаноло- и этаноло топливных эмульсиях // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 3 (16). С. 26–28.

7.         Лопатин О. П. Химизм процесса образования оксидов азота в цилиндре газодизеля // Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения. 2015. № 3 (16). С. 28–30.

8.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Применение природного газа и рециркуляции на тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 6. С. 7–9.

9.         Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения природного газа и рециркуляции // Транспорт на альтернативном топливе. 2014. № 4 (40). С. 21–25.

10.     Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля путем применения этаноло-топливной эмульсии // Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 2. С. 6–7.

11.     Лопатин О. П., Лиханов В. А. Улучшение эксплуатационных показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Известия Международной академии аграрного образования. 2013. Т. 4. № 16. С. 170–173.

12.     Лопатин О. П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Санкт-Петербург, 2004. — 18 с.

13.     Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля Д-240 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Научно-практический журнал Пермский аграрный вестник: 2013. № 1 (1). С. 29–32.

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

15.     RU 2260706 С1, 20.09.2005.

16.     Лиханов В. А., Лопатин О. П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Транспорт на альтернативном топливе. 2012. № 4 (28). С. 70–73.

17.     Лиханов В. А., Лопатин О. П. Улучшение экологических показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха // Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 2. С. 6–7.

18.     Лиханов В. А., Лопатин О. П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля с турбонаддувом путем применения природного газа // Тракторы и сельхозмашины. 2010. № 1. С. 11–13.

19.     Лиханов В. А., Лопатин О. П., Шишканов Е. А. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля путем их рециркуляции // Тракторы и сельхозмашины. 2007. № 9. С. 8–9.

20.     Лиханов В. А., Лопатин О. П., Олейник М. А., Дубинецкий В. Н. Особенности химизма и феноменологии образования оксидов азота в цилиндре дизеля при работе на природном газе // Тракторы и сельхозмашины. 2006. № 11. С 13–16.

21.     RU 2257482 С2, 27.07.2005.

22.     Лопатин О. П. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 (Д-240) при работе на природном газе путем применения рециркуляции отработавших газов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Киров, 2004. — 200 с.

23.     Лиханов В. А., Лопатин О. П. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля: Монография. — Киров: Вятская ГСХА, 2004. -106 с.

24.     Лиханов В. А., Лопатин О. П. Исследование нагрузочного режима дизеля при работе на природном газе с рециркуляцией, метаноло- и этаноло топливных эмульсиях // Потенциал современной науки. 2015. № 3 (11). С. 40–44.