Общемировая тенденция по форсированию ДВС, в том числе и дизелей, в первую очередь по среднему эффективному давлению, приводит к повышению средней температуры цикла и, как следствие, повышению тепловой напряженности деталей и содержанию сажи в отработавших газах. Соответственно необходимо проводить мероприятия по снижению тепловой нагрузки на детали, непосредственно контактирующие с горячими газами. Это, в свою очередь, приводит к росту тепловых потерь, что отрицательно сказывается на экономичности работы двигателя.
Кроме того, ДВС и, в частности, дизели являются одними из основных источников загрязнения воздушного бассейна в крупных городах и потребителей невозобновляемых углеводородных топлив нефтяного происхождения. Для снижения выбросов вредных веществ автомобильным транспортом в окружающую среду, особенно в крупных городах, в РФ принята Концепция развития автомобильной промышленности РФ.
В то же время использование альтернативных, экологически более чистых моторных топлив позволит снизить токсичность ОГ дизелей. При этом, по мнению специалистов, наиболее перспективными топливами на ближайшие десятилетия как с точки зрения величины запасов, так и с точки зрения низкой стоимости и экологичности являются компримированный природный газ (КПГ) и спиртовые топлива.
Значительный интерес при этом представляет определение массовой С и относительной r концентрации сажи в цилиндре дизеля, а также количество частиц сажи в единице объема цилиндра. Имеющиеся данные по этому вопросу часто противоречивы и ставят под сомнение их использование в условиях отличных от тех, в которых они были получены с необходимой степенью достоверности.
В данной работе рассмотрено использование газомоторного и спиртового топлива в автотракторных дизелях Д-245.12С и Д-21А1.
C помощью программы для определения массовой и относительной концентрации сажи в цилиндре дизеля нами была рассчитана массовая С и относительная r концентрации сажи в цилиндре дизеля и газодизеля с турбонаддувом (Д-245.12С) размерности 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от угла поворота коленчатого вала (п.к.в.). Расчет концентрации сажи в цилиндре дизеля проводился по известным методикам, разработанным профессорами С. А. Батуриным, А. С. Лоскутовым и В. Н. Ложкиным.
На рис. 1 представлено изменение показателей сажесодержания и температуры в цилиндре дизеля и газодизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от угла п. к.в. на номинальном режиме работы (n = 2400 мин-1, ре = 0,84 МПа) при Θвпр = 11о п. к.в.
Из представленных зависимостей видно, что начало видимого сгорания топлива начинается через 2…3о после ВМТ. Воспламенение рабочей смеси приводит к интенсивному тепловыделению, и температура газов быстро достигает максимального значения: 2100 К при дизельном процессе и 2500 К при газодизельном. Результирующее сажесодержание в ОГ складывается из двух противоположно направленных процессов — образования и выгорания частиц. Преобладание какого-либо процесса на определенном участке процесса сгорания топливовоздушной смеси ведет к изменению концентрации сажи в ту или иную сторону. Учитывая, что горение ДТ и метановоздушной смеси (МВС) характеризуется как турбулентное пламя предварительно неперемешанной смеси, то процессы горения реализуются в условиях пространственной неоднородности и неравновесности распределения топлива в МВС, неустойчивости во времени и с учетом молекулярной и турбулентной диффузии. Начало сажевыделения в цилиндре дизеля совпадает с началом видимого сгорания, то есть сажа образуется сразу же, как только появляется устойчивый фронт пламени. Результирующее сажесодержание при этом складывается из трех этапов процесса сажеобразования.
Рис. 1. Изменение показателей сажесодержания и температуры в цилиндре дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 в зависимости от угла п. к.в. при Qвпр = 11о п. к.в.; n = 2400 мин-1 и ре = 0,84 МПа: 
— дизель; — - — - — - газодизель
На первом этапе происходит резкое возрастание массовой концентрации сажи в цилиндре дизеля в результате преобладающего влияния процесса сажеобразования над ее выгоранием. На этом участке пламя быстро распространяется на весь объем подготовленной к сгоранию за период задержки воспламенения (ПЗВ) смеси.
С учетом проведенных в разное время исследований по изучению механизмов сажеобразования при горении углеводородных топлив, результаты которых на сегодняшний день не вызывают сомнений, мы предполагаем, что образование основной массы частиц сажи происходит по цепному радикальному процессу и основными путями образования сажи в цилиндре дизеля с турбонаддувом при работе на КПГ является низкотемпературный фенильный механизм (НТФМ) (преобладающий в ядре факела и температуре менее 1500 К) и высокотемпературный ацетиленовый механизм (ВТАМ) (преобладающий в переднем фронте и температуре более 1500 К).
На втором этапе процесса сажеобразования пламенем охвачена большая часть объема и происходит диффузионное горение основной части заряда. Температура в цилиндре повышается до максимального значения, и процессы образования и выгорания сажи идут с соизмеримыми скоростями, но суммарное сажесодержание продолжает увеличиваться. На этом участке основным механизмом образования сажи является ВТАМ. Образовавшиеся в результате физико-химических превращений топлива частицы сажи окисляются и газифицируются, так как температура газов становится достаточно высокой, а общий коэффициент избытка воздуха высокий.
На третьем этапе процесс выгорания сажи доминирует над процессом образования. Сгорание основной массы заряда к этому времени завершилось, и возможно лишь догорание отдельных локальных объемов смеси и сажевых частиц. Работа дизеля с турбонаддувом характеризуется значительным обеднением смеси даже на режимах высоких нагрузок и повышенной турбулентностью смеси в цилиндре двигателя. То есть создаются благоприятные условия для выгорания сажевых частиц. Этот процесс длится до открытия выпускных клапанов, а содержание сажи при этом снижается до значений, определяющих дымность ОГ.
Основными факторами, оказывающими влияние на процессы образования и сгорания сажи в цилиндре, являются значения Tmax, pz max цикла, время пребывания частиц в зоне реакции и коэффициент избытка воздуха α. Скорость выгорания сажи определяется скоростями химических реакций на поверхности частиц. Совместное влияние на скорость выгорания сажи оказывают температура продуктов сгорания и концентрация в них кислорода. Принимая во внимание, что метан является наименее склонным к сажеобразованию углеводородом и наличие турбонаддува, обеспечивающего повышенную плотность и турбулентность заряда, можно объяснить минимальный уровень дымности ОГ дизеля при работе на КПГ.
Полученные результаты позволяют говорить об эффективности использования КПГ в качестве моторного топлива в дизеле с турбонаддувом с целью снижения дымности ОГ и соответственно, сажесодержания в ОГ. Необходимо отметить, что указанный дизель Д-245.12С по дымности ОГ соответствует нормам Евро-1, а его газодизельная модификация со значительным запасом удовлетворяет нормам Евро-4.
В то же время при переходе на газодизельный процесс повышается содержание в ОГ несгоревших углеводородов СН и диоксида углерода СО2. Снижения содержания СН в ОГ можно добиться путем установки каталитического нейтрализатора, а СО2 является продуктом полного сгорания топлива, нетоксичен, хотя и относится к газам, вызывающим «парниковый эффект».
Литература:
1. Лиханов В. А., Россохин А. В. Особенности теплообмена излучением в цилиндре дизелей при работе на газомоторном топливе // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 10–1. С. 14–17.
2. Улучшение экологических показателей дизеля с турбонaддyвом путем применения природного газа // Лиханов В. А., Россохин А. В., Олейник М. А., Рудаков Л. В. / Тракторы и сельхозмашины. 2006. № 9. С. 8–10.
3. Улучшение эффективных показателей дизеля с турбонаддувом путем применения природного газа // Лиханов В. А., Лопарев А. А., Рудаков Л. В., Россохин А. В. / Тракторы и сельхозмашины. 2006. № 12. С. 15–19.
4. В. А. Лиханов, О. П. Лопатин. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля // монография, Киров, 2004.
5. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Транспорт на альтернативном топливе. 2012. № 4 (28). С. 70–73.
6. Исследование рабочего процесса дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии // Лиханов В. А. монография / В. А. Лиханов, С. А. Романов; под общ. Ред. В. А. Лиханова; м-во сельского хоз-ва российской федерации, ФГОУ ВПО «Вятская гос. с.-х акад».. Киров, 2010.
7. Применение природного газа и рециркуляции на тракторном дизеле 4Ч 11,0/12,5 // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 6. С. 7–9.
8. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля с турбонаддувом путем применения природного газа // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Тракторы и сельхозмашины. 2010. № 1. С. 11–13.
9. Улучшение экологических показателей дизеля путем применения этаноло-топливной эмульсии // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 2. С. 6–7.
10. Улучшение экологических показателей тракторного дизеля путем применения компримированного природного газа и рециркуляции отработавших газов, метаноло- и этаноло-топливных эмульсий // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 3. С. 3–6.
11. Исследование рабочего процесса и улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе на метаноло-топливной эмульсии // Лиханов В. А. монография / В. А. Лиханов, С. А. Романов, А. Е. Торопов; м-во сельского хозяйства российской федерации, ФГОУ ВПО «Вятская гос. с.-х. акад».; под общ. Ред. В. А. Лиханова. Киров, 2011.
12. Улучшение экологических показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 2. С. 6–7.
13. Снижение содержания оксидов азота в отработавших газах дизеля путём применения метанола с использованием двойной системы топливоподачи // Лиханов В. А., Лопатин О. П., Анфилатов А. А. / Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 5. С. 5–8.
14. Улучшение экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения природного газа и рециркуляции // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Транспорт на альтернативном топливе. 2014. № 4 (40). С. 21–25.
15. Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля Д-240 путем применения этаноло-топливной эмульсии // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Научно-практический журнал пермский аграрный вестник. 2013. № 1 (1). С. 29–32.
