Обоснование выбора системы рециркуляции отработавших газов для газовых двигателей КАМАЗ

На сегодняшний день одной из актуальнейших проблем создания современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является проблема экологии. ДВС, работающие на природном газе, не являются исключением, несмотря на то, что выброс основных токсичных компонентов такими двигателями заметно ниже в сравнении с дизелями и бензиновыми ДВС [1, 3]. Без дополнительного оборудования их системами снижения токсичности отработавших газов (ОГ) они не могут соответствовать экологическому классу Евро-6.

Ключевые слова:двигатель внутреннего сгорания, отработавшие газы, рециркуляция отработавших газов, рециркулируемые газы, сопло Вентури, мощностно-экономические показатели, степень рециркуляции.

В данной работе обосновывается выбор типа системы рециркуляции ОГ, а основным токсичным компонентом являются оксиды азота, т. к. выброс продуктов неполного сгорания газовым двигателем незначителен, кроме того, способы борьбы с ними известны и не вызывают больших проблем. Для ДВС искрового зажигания чаще всего применяют каталитические нейтрализаторы, однако для двигателя КАМАЗ 820.73–300 такой выбор вряд ли оправдан. Причина — рабочий объем двигателя и, соответственно, стоимость системы. Системы накопительного или селективного типа (применяемые на дизелях КАМАЗ) также обладают высокой стоимостью и не лишены ряда недостатков. Из известных способов снижения токсичности остаётся способ рециркуляции ОГ (РОГ).

В работе ставится цель достигнуть экологического стандарта Евро-6, в соответствии с которым содержание выбросов оксида азота, в частности, не должно превышать 0,4 г/кВт*ч. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1-выбрать модель двигателя КАМАЗ для применения на нем системы рециркуляции отработавших газов;

2-провести анализ существующих схем систем рециркуляции отработавших газов для выбора оптимального варианта;

3-определить степень рециркуляции для каждого режима двигателя;

4-провести расчетный анализ для выбранных систем РОГ.

На первом этапе была выбрана модель двигателя КАМАЗ для применения на нем системы рециркуляции отработавших газов — 820.73–300.

Далее был проведен анализ существующих схем систем рециркуляции отработавших газов для использования на газовом двигателе с турбонаддувом с указанием достоинств и недостатков каждой системы [2]. В системе РОГ низкого давления рециркулируемые газы (РГ) отводятся из выпускного коллектора до или после турбины и добавляются к воздушному заряду перед компрессором, при этом РОГ возможна на всех режимах работы двигателя, так как давление РГ всегда больше давления во впускной системе перед компрессором. Существенным недостатком данной системы является, то что через компрессор и теплообменник надувочного воздуха проходит смесь воздуха и РГ. Содержащейся в ней частицы сажи, пары серной и азотной кислот будут приводить к загрязнению рабочих поверхностей. Одним из вариантов системы РОГ высокого давления является схема РОГ с дросселем во впускном коллекторе. За счёт дросселирования наддувочного воздуха обеспечивается положительный перепад давлений ∆р_рог даже в области высоких нагрузок. В связи с большим расходом воздуха в газовых двигателях, использование в нём дросселирования наддувочного воздуха выхлопных газов на выпуске или на впуске будет приводить к значительному ухудшению его топливной экономичности вследствие увеличения работы насосных ходов и уменьшения количества воздуха поступающего в цилиндры двигателя. Использование сопла Вентури позволяет увеличить положительный перепад давлений за счёт подвода РГ в область горловины сопла, где как раз и обеспечивается наименьшее статическое давление охлаждённого наддувочного воздуха. Сопло Вентури может располагаться как в главной магистрали впускного коллектора, так и в обводном трубопроводе. В первом случае будут иметь место несколько большие потери давления наддувочного воздуха, но зато можно обеспечить равномерное смешивание РГ с надувочным воздухом при наименьших габаритах двигателя. К специальным схемам РОГ можно отнести систему РОГ высокого давления, в которой РГ нагнетаются во впускной коллектор с помощью дополнительного турбокомпрессора. Использование турбокомпрессора для нагнетания РГ позволяет значительно эффективней, например, чем при использовании сопла Вентури, подать РГ во впускной коллектор. Однако, во-первых, эта система будет иметь большую стоимость и, во-вторых, из-за дополнительного агрегата, возможно, снизится общая надёжность двигателя. В многоцилиндровом газовом двигателе, с числом цилиндров восемь и более, может быть применена система РОГ, в которой выхлопные газы от одного «специального» цилиндра нагнетаются им же по принципу поршневого насоса во впускной трубопровод. При использовании схемы РОГ от «специального» цилиндра работа насосных ходов увеличивается только у одного цилиндра. Недостатком схемы РОГ от специального цилиндра является ограничение по максимальной степени РОГ в соответствии с выбранным числом «специальных» цилиндров. После чего для проведения расчетного анализа были выбраны две наиболее простые и эффективные схемы РОГ: система рециркуляции низкого давления (рис. 1) и система рециркуляции высокого давления с соплом Вентури (рис. 2).

На следующем этапе были проведены расчеты для определения оптимального значения степени рециркуляции отработавших газов для каждого режима работы двигателя. На режиме 800 мин^-1 степень рециркуляции принимаем 0 %, на режиме наибольшего крутящего момента-13 %, на режиме 1700 мин^-1 -16,5 %, на номинальном режиме -11 %. Расчеты были проведены на ЭВМ в программном комплексе Дизель-РК, разработанном в МГТУ им. Баумана. Эта программа позволяет рассчитать рабочие процессы двигателя и в приближенном виде экологию, а именно выбросы оксидов азота.

Далее для выбора оптимального варианта системы рециркуляции отработавших газов были проведены их сравнительные расчёты (рис. 3). Сначала был проведен расчётный анализ системы РОГ высокого давления с соплом Вентури с применением EGR-охладителя и без него. В результате имеем ниже мощностно-экономические показатели по сравнению с двигателем без рециркуляции отработавших газов на 14 %, но зато выбросы оксида азота снизились примерно на 92 %. Следующим был проведен расчёт системы РОГ низкого давления с применением EGR-охладителя и без него. Потеря мощностно-экономических показателей составила примерно 23 % и выбросы оксида азота снизились лишь на 84 %. Расчётный анализ показал, что рециркуляция является достаточно эффективным методом снижения выбросов оксида азота в отработавших газах и необходимо продолжить дальнейшие исследования в данной области с целью снижения воздействия двигателя внутреннего сгорания на окружающею среду. Исходя из полученных результатов было принято решение использовать систему РОГ высокого давления с соплом Вентури с установкой EGR-охладителя с целью достижения высоких экологических и мощностно-экономических показателей. Данная схема обеспечивает достижения экологического стандарта Евро-6 по выбросам оксида азота, для достижения норм по другим нормируемым вредным веществам необходимо провести дальнейшие расчеты и стендовые испытания.

Рис. 1. Схема системы РОГ низкого давления: 1-двигатель; 2-выпускной коллектор; 3-впускной коллектор; 4-теплообменник РГ; 5-клапан для регулирования количества РГ; 6-ОНВ; 7-турбокомпрессор.

Рис. 2. Схема системы РОГ высокого давления с соплом Вентури: 1-двигатель; 2-выпускной коллектор; 3-впускной коллектор; 4-теплообменник РГ; 5-клапан для регулирования количества РГ; 6-ОНВ; 7-турбокомпрессор; 8-сопло Вентури.

Рис. 3. Зависимости изменения мощности (а), удельного эффективного расхода топлива (б) и выбросов оксида азота с отработавшими газами (в) от режима работы двигателя по ВСХ.

Литература:

1.      Генкин К. И. Газовые двигатели. М.: Машиностроение, 1977. -169 с.

2.      Голиков В. П. Улучшение экологических и топливно-экономических показателей транспортного дизеля за счет применения рециркуляции отработавших газов и совершенствования рабочих процессов: Дис. кандидата техн. наук. — Ярославль, 2004. — 174 с.

3.      Горбунов В. В., Патрахальцев Н. Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: РУДН, 1998. -214 с.