Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и, в частности, дизели являются одним из основных источников загрязнения воздушного бассейна в крупных городах и потребителей невозобновляемых углеводородных топлив нефтяного происхождения. Значительную опасность для здоровья людей представляют оксиды азота NOx и бенз(α)пирен, адсорбируемый на поверхности сажевых частиц. Кроме этого, образование сажи при сжигании топлива приводит к отложению нагара на поверхностях камеры сгорания (КС) и оказывает существенное влияние на протекание рабочего процесса. В частности, может привести к нарушению процесса смесеобразования вследствие закоксовывания отверстий распылителя. Что касается исследований блокирующего воздействия нагара на нестационарный теплообмен между рабочим телом и поверхностью КС дизеля, то таких работ до последнего времени практически не было. В 90-х годах проводились исследования в МГТУ им. Н. Э. Баумана, а также в Мюнхенском техническом университете, в результате которых впервые были получены количественные данные [1]. При этом, по мнению специалистов, наиболее перспективным топливом как с точки зрения величины запасов, так и с точки зрения низкой стоимости и высокой экологичности является компримированный природный газ (КПГ).
Принципиальным вопросом при создании ДВС является снижение содержания оксидов азота NOx и сажи в ОГ, особенно дизелей. Возможно, в перспективе подобную проблему можно будет решить созданием и широким применением чисто газовых двигателей. Однако на переходном этапе не менее важным является создание газодизелей на базе уже существующих и выпускаемых дизелей. Это позволит без вложения значительных материальных ресурсов создать более экологически чистые двигатели, а также существенно сэкономить и заменить топливо нефтяного происхождения, обеспечив при этом двухтопливность дизеля и тем самым расширить его область применения [2].
Проанализировав проведенные ранее научно-исследовательские работы по снижению дымности дизелей путем применения природного газа в качестве моторного топлива, следует отметить отсутствие работ по изучению влияния совместного применения природного газа и турбонаддува на эффективные и экологические показатели дизелей, малое число работ по использованию природного газа в автомобильных дизелях с турбонаддувом рабочим объемом до 5 литров. Практически нет работ доведенных до создания опытных образцов и прошедших эксплуатационные испытания [2].
Все вышеизложенное дает основание предполагать, что улучшение экологических показателей автомобильных дизелей путем снижения дымности ОГ при совместном применении природного газа и турбонаддува, улучшение эффективных показателей дизелей, замена и экономия моторного топлива нефтяного происхождения является актуальной научной задачей, имеющей существенное значение для двигателестроения и требующей своевременного решения, в том числе для двигателей рабочим объемом до 5 литров.
При испытаниях использовался КПГ месторождения «Ямбургское» из газопровода «Ямбург — Тула», соответствующий ГОСТу 27577–2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия».
На рис. 1 представлено содержание в ОГ дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 наиболее опасных компонентов — оксидов азота NOx и сажи С при работе на КПГ в зависимости от установочного УОВТ на номинальном режиме работы при n = 2400 мин-1 и ре = 0,84 МПа. Данные получены с использованием системы автоматического газового анализа АСГА-Т и сажемера Bosch EFAW-78.
Анализ представленных графиков показывает, что при работе по дизельному процессу увеличение установочного УОВТ с 5 до 17о п. к.в. приводит к возрастанию содержания в ОГ оксидов азота на 4,4 %, при этом содержание сажи в ОГ снижается с 3,5 до 1,5 ед. Bosch, то есть на 57,1 %. При переходе на газодизельный процесс содержание оксидов азота в ОГ снижается в среднем на 8 %. Содержание сажи в ОГ газодизеля с турбонаддувом практически не зависит от УОВТ и не превышает 0,1...0,2 ед. Bosch, то есть на оптимальном для дизельного и газодизельного процессов установочном УОВТ Θвпр = 11о п. к.в. содержание сажи в ОГ при переходе на КПГ снижается на 96 %.
Рис. 1. Содержание в ОГ дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 оксидов азота NOx и сажи С в зависимости от установочного УОВТ при n = 2400 мин-1 и ре = 0,84 МПа: 
— дизель; — - — - — газодизель
На рис. 2 представлено содержание в ОГ дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 оксидов азота NOx и сажи С при работе на КПГ в зависимости от изменения нагрузки при частоте вращения n = 2400 мин-1 и Θвпр = 11о п. к.в.
Рис. 2. Содержание в ОГ дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 оксидов азота NOx и сажи С в зависимости от изменения нагрузки при Qвпр = 11о п. к.в. и n = 2400 мин-1: — дизель; — - — - — - газодизель
Анализ графиков позволяет говорить, что с увеличением нагрузки от 0,12 до 0,88 МПа при работе по дизельному процессу содержание оксидов азота в ОГ возрастает со 160 до 185 ppm (на 15,6 %), а сажи с 0,9 до 2,6 ед. Bosch (в 2,9 раза). При газодизельном процессе содержание оксидов азота в ОГ становится ниже практически во всем диапазоне нагрузок и на номинальной нагрузке это снижение составляет 8 %. Содержание сажи в ОГ газодизеля практически не зависит от нагрузки и составляет порядка 0,1 ед. Bosch.
На рис. 3 представлено содержание в ОГ дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 оксидов азота NOx и сажи С при работе на КПГ в зависимости от изменения частоты вращения при Qвпр = 11о п. к.в.
Содержание в ОГ оксидов азота и сажи определялось в диапазоне частот от 1200 до 2500 мин-1. Следует отметить, что с увеличением частоты вращения содержание оксидов азота снижается с 265 до 170 ppm (на 35,8 %), а сажи возрастает с 1,7 до 2,6 ед. Bosch (на 52,9 %) на дизельном процессе. При переходе на газодизельный процесс содержание рассматриваемых компонентов в ОГ снижается во всем диапазоне частот вращения.
Из полученных результатов можно сделать вывод, что использование КПГ в качестве моторного топлива позволяет снизить содержание в ОГ оксидов азота NOx на номинальном режиме на 8 % по сравнению с дизельной модификацией. Наиболее существенно при переходе на газодизельный процесс снижается сажесодержание в ОГ — на 96 %.
Рис. 3. Содержание в ОГ дизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 оксидов азота NOx и сажи С в зависимости от частоты вращения при Qвпр = 11о п. к.в.: — дизель; — - — - — - газодизель
Снижение содержания в ОГ газодизеля наиболее опасных для здоровья людей и животных компонентов (оксидов азота NOx и сажи С) позволяет сделать вывод о снижении суммарной токсичности ОГ и улучшении экологических показателей газодизеля с турбонаддувом 4ЧН 11,0/12,5 по сравнению с дизельной модификацией.
Литература:
1. 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.
2. 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.
3. В. А. Лиханов, О. П. Лопатин. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля // монография, Киров, 2004.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Улучшение экологических показателей дизеля путем применения этаноло-топливной эмульсии // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 2. С. 6–7.
9. 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.
10. 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.
11. Улучшение экологических показателей дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха // Лиханов В. А., Лопатин О. П. / Тракторы и сельхозмашины. 2011. № 2. С. 6–7.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
