Влияние степени рециркуляции отработавших газов на эффективные и экологические показатели дизеля

УДК 621.436

О.П. Лопатин

канд. техн. наук, доцент, кафедра тепловых двигателей, автомобилей

и тракторов,

ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»,

г. Киров

ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ НА ЭФФЕКТИВНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ

Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния степени рециркуляции на мощностные и эффективные показатели, характеристики токсичности и дымности отработавших газов дизеля 4Ч 11,0/12,5.

Ключевые слова: дизель, рециркуляция отработавших газов, эффективные показатели, токсичность.

O.P. Lopatin, Vyatka state Academy of Agriculture, Kirov

THE INFLUENCE OF THE DEGREE OF RECIRCULATION OF EXHAUST GASES FOR EFFICIENT AND

ENVIRONMENTAL PERFORMANCE OF DIESEL ENGINE

Abstract. Results of experimental studies of the effect of recirculation on performance and effective indicators, the characteristics of toxicity and opacity of exhaust gases of a diesel engine 4H 11,0/12,5.

Keywords: diesel engine, exhaust gas recirculation, effective indicators, toxicity.

В настоящее время с введением новых стандартов для дизелей ужесточается допустимый норматив эмиссии одного из наиболее вредных компонентов отработавших газов (ОГ) -оксидов азота.

В Вятской государственной сельскохозяйственной академии на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования по улучшению эффективных и экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 при работе с рециркуляцией отработавших газов (РОГ). На основании проведенных лабораторно-стендовых исследований рабочего процесса тракторного дизеля при работе с РОГ установлена возможность улучшения экологических показателей дизеля, в частности снижения оксидов азота в ОГ при сохранении мощностных показателей [1; 2].

Экспериментальная тормозная установка включала электротормозной стенд SAK-N670 с балансирной маятниковой машиной, дизель 4Ч 11,0/12,5, измерительную аппаратуру, газобаллонное оборудование, систему рециркуляции ОГ. Обработка индикаторных диаграмм рабочего процесса дизеля при работе на различных режимах осуществлялась с помощью ПЭВМ по программе ЦНИДИ-ЦНИИМ. Отбор и анализ проб ОГ производился на автоматической системе газового анализа АСГА-Т.

Степень РОГ (p) регулировалась заслонкой, установленной в рециркуляционном трубопроводе, и определялась в зависимости от температуры окружающего воздуха (То), температуры ре-циркулируемых газов (Тр) и температуры смеси (7"s) во впускной системе дизеля:

p = (Тs - Т0)/(1 + Тs -Т0 ). к Т - Т Т - Т

s s

Дополнительно контроль степени РОГ осуществлялся газовым счетчиком РГ-400. Охлаждение рециркулируемых газов осуществлялось посредством теплообменника за счет передачи тепла охлаждающей жидкости в систему охлаждения дизеля и радиатора, установленного перед масляным радиатором, за счет передачи тепла в атмосферу [3; 4].

Эффективные и экологические показатели дизеля при среднем эффективном давлении ре, равном 0,51 и 0,63 МПа, на номинальной частоте вращения (n = 2200 мин ) и угле опережения

впрыскивания топлива (УОВТ) ©впр, равном 23 градуса, в зависимости от изменения степени РОГ представлены на рисунке 1. Из графиков (рис. 1а) видно, что увеличение р приводит к снижению часового расхода воздуха, коэффициента избытка воздуха, эффективного КПД, температуры ОГ и к увеличению удельного эффективного расхода топлива, часового расхода топлива, температуры рециркулируемых газов [5].

а

4,0

3,0

Пе 0,400 0,350 0,300 От, кг/ч 14 12 10

^рг>С

70 60 50

Ов

а 4 "1 1

' ~ — - - — --- _ ___

Пе

де --- -- - - - — ~

А

. — 1

1— 1— — __ — ¥ — -

Л

I*-"""

г"' г""

Св,кг/ч

300

250

200 д

е кВт ч

300

250 200

и;с 600 500 400

ЫОх,% 0,10

0,05

0

с,

ЬоэсИ

8 6 4 2

СО, %

0,30 0,20 0,10

N Ох

--1 - ^ ^ - 1

Сп Нт

-- __

С У

_ -л

1—  — 1— — — — * —

' С О2 — -1

н — . — -с — — — ь — -

' с О

г* ** 1-

н — — — _ — г

СпНт,% 0,15 0,10 0,05

сО2,% 14 10 6

10

20

30

40 р,%

10

20

30

40 р,%

б

Рисунок 1 - Эффективные (а) и экологические (б) показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5

1

в зависимости от изменения степени РОГ при УОВТ ©впр = 23 градуса и п = 2200 мин ;

0,51 МПа

-к - ре = 0,63 МПа;

впр

--о - ре

а

4,0

3,0

Пе 0,400 0,350 0,300 От,кг/ч 12 10 8

^рг>С 60

50

40

Ов

а 4 к

— — —

Пе

— — ___

де _ _ ---

'От

— — к — - __ ь-- _ — ч

Кг

""

Ов, кг/ч

250

200

150

е кВт. ч 300

250

200

^"С

500

400

300

ЫОх,% 0,10

0,05

0

с,

ЬоэсИ 8 6 4 2

СО, % 0,30 0,20 0,10

N Ох

Сп Нт

—и к-- 1 -с

С

1- —  — -1 1— —

с О2

I- — " __ —1 Г "*

С О

— и

. — -Щ _ — ь

СпНт,%

0,15

0,10

0,05

СО2,% 14 10 6

10

20

30

40 р,%

10

20

30

40

б

Рисунок 2 - Эффективные (а) и экологические (б) показатели дизеля 4Ч 11,0/12,5

в зависимости от изменения степени РОГ при УОВТ ©впр = *-к - ре = 0,69 МПа; п---о - ре

23 градуса и п : 0,51 МПа

1700 мин-1

Так, при работе с 40%-ой РОГ при ©впр = 23 градуса и ре = 0,51 МПа происходит снижение часового расхода воздуха на 40,9%, коэффициента избытка воздуха на 50,0%, эффективного КПД на 11,9%, температуры ОГ на 50оС, увеличение удельного эффективного расхода топлива на

0

0

а

г

0

0

а

13,8%, часового расхода топлива на 12,8%, температуры рециркулируемых газов на 17оС [6-8].

Анализируя кривые токсичности (рис. 1б), можно отметить, что с увеличением степени РОГ происходит снижение содержания в ОГ оксидов азота, увеличение оксида, диоксида углерода и дымности ОГ, снижение суммарных углеводородов при работе с 10%-ой РОГ и увеличение при работе с 20%-ой рециркуляцией. Так, применение 40%-ой степени РОГ при ©впр = 23 градуса и ре = 0,51 МПа приводит к снижению содержания оксидов азота в ОГ на 86,4%, увеличению суммарных углеводородов на 9,0%, оксида углерода на 70%, диоксида углерода на 30,9% и дымности ОГ на 50,0%.

Рассматривая графики работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 на частоте вращения (1700 мин.-1), соответствующей максимальному крутящему моменту, можно констатировать, что характер протекания кривых аналогичен графикам при номинальной частоте вращения, при этом изменяются лишь их абсолютные значения [9, 10].

Проведенные экспериментальные исследования убедительно доказывают возможность снижения содержания оксидов азота в ОГ дизеля 4Ч 11,0/12,5 путем применения РОГ. При этом обнаружено постоянство эффективных и токсических показателей. Качественная же оценка разработанного метода применения РОГ в дизеле может быть осуществлена на основании обобщения результатов проведенных экспериментальных исследований.

Список литературы:

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

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

3. 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.

4. 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.

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

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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: дис. ... канд. техн. наук. Киров, 2004. 200 с.

10. Лиханов В.А. Образование и нейтрализация оксидов азота в цилиндре газодизеля. Монография / В.А. Лиханов, О.П. Лопатин. Киров, 2004. 106 с.