Снижение токсичности и дымности выбросов дизеля добавкой СПБТ и изменением рабочего объема

Транспорт на СУГ

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

Снижение токсичности и дымности выбросов дизеля добавкой СПБТ и изменением рабочего объема

Н.Н. Патрахальцев, профессор РУДН, д.т.н., И.А. Петруня, аспирант РУДН, Р.О. Камышников, аспирант РУДН, Д.О. Скрипник, магистрант РУДН

Современные двигатели, особенно в условиях городского движения, эксплуатируются при низких коэффициентах загрузки. Это приводит к повышению расхода топлива и ухудшению экологических качеств транспортного средства. Одним из методов решения этих проблем является использование добавки пропана-бутана к топливу и применение регулирования двигателей изменением рабочего объема.

__Ключевые слова:

дизель, дымность, токсичность, газодизель с внутренним смесеобразованием,

изменение рабочего объема.

числе методов снижения токсичности и дымности выбросов дизеля возможно применение присадок к дизельному топливу (ДТ) различных альтернативных топлив и других веществ, например, сжиженного пропан-бутана топливного (СПБТ), диметилэфира, легких синтетических парафиновых углеводородов, спиртов, водного раствора хлорида бария и т.д. Такие методы обеспечивают нередко не только снижение дымности отработавших газов (ОГ), но и уменьшение выбросов с ОГ оксидов азота и углерода, а также углеводородов [1].

Современные двигатели длительное время эксплуатируются при малых нагрузках и на холостых ходах, а следовательно при повышенных удельных расходах топлива и выбросах ряда токсичных компонентов. Одним

из методов улучшения этих показателей является регулирование двигателя, работающего с низкими нагрузками, изменением его рабочего объема, а в простейшем случае - отключением части цилиндров или циклов [2].

Представляет интерес также такой вопрос - в какой степени применение альтернативных топлив, например, сжиженного пропан-бутана, и регулирование двигателя изменением рабочего объема могут повлиять на экономичность и токсичность выбросов дизеля.

Нередко существенное снижение дымности тем или иным способом сопровождается ростом концентрации в ОГ, например, оксидов азота и углерода. В этом случае для оценки суммарного эффекта по снижению токсичности выбросов целесообразно воспользоваться показателем условной суммарной токсичности [3],

выраженным в единицах вредности компонентов ОГ. Такой единицей является индекстоксичностиК/ - отношение концентрации данного компонента ОГ к его предельно допустимой среднесуточной концентрации (ПДКсс) в окружающей атмосфере (таблица). Таким образом, условные токсичности компонентов ОГ (СО', СН', N0/ и С') определяются с учетом их индексов токсичности К/. Например, N0/ = К/ N0^, где N0^ - концентрация токсичного компонента в ОГ на данном режиме. Или, например, СО'=0,34-СО; СН'=0,67-СН;

С'=20-С, где СО, СН, N0, и С - концентрации токсичных компонентов в ОГ (мг/м3). Суммарная условная токсичность КЕ двигателя определяется по соотношению

КЕ = СО' + СН' + N0/ + С'.

При этом расчеты проводятся в соответствии с режимами работы двигателя, например, по 13-ступенчатому испытательному циклу. Доля токсичности Т, вносимая каждым г-м компонентом ОГ в общую токсичность газов, определяется по соотношению Тг=102(г7КЕ).

Экспериментальное исследование было проведено на стенде с дизелем типа Д-240 (4411/12,5), оснащенным системой подачи СПБТ через клапаны регулирования начального давления (РНД) [4] (рис. 1).

Принцип работы системы топливо-подачи заключается в следующем. При отсечке подачи топлива насосом высо-

кого давления 21 нагнетательный клапан 20 садится в седло и своим разгрузочным пояском формирует в линии высокого давления (ЛВД) 2 волну пониженного давления. При подходе этой волны к клапану регулирования начального давления 23 он открывается, смещаясь вниз в сторону полости ЛВД, и СПБТ из емкости 10 через невозвратный клапан 12 и трубчатый шток 14 вводится в полость ЛВД, смешиваясь с ДТ. В очередном цикле топливоподачи полученное смесевое топливо впрыскивается в цилиндр дизеля штатной форсункой 1.

При необходимости отключения подачи топлива в цилиндр на электромагнитную катушку 6 подается электропитание. Катушка втягивает (вниз) магнитный элемент 8, связанный со штоком 14, который нажимает на клапан РНД 23. Однако открытие клапана происходит только тогда, когда к нему подходит волна пониженного давления. Тогда он открывается и остается в таком состоянии. В очередном нагнетательном цикле насосом 21 подаваемое им топливо поступает не к форсунке 1, а через полости клапана РНД 23, трубчатый шток 14 и через редукционный клапан 12 сливается в линию низкого давления (слив). Цилиндр отключен.

Возможную величину подачи СПБТ в дизельное топливо и цилиндр ограничивает показатель пониженного цета-нового числа такого смесевого топлива.

Предельно допустимые концентрации и индексы токсичности вредных веществ ОГ

Вредные вещества Контролируемые Косвенно контролируемые Неконтролируемые

т ОТ C ПАУ Альдегиды SO2

ПДКсс, мг/м3 3,0 0,004 1,5 0,05 0,000001 0,012 0,05

К/ 0,34 25,0 0,67 20 1 • 106 83 20

Рис. 1. Схема системы топливоподачи с вводом СПБТ в дизельное топливо в ЛВД между циклами топливоподачи через клапан РНД и отключения подачи топлива в деактивируе-мые цилиндры:

1 - форсунка закрытого типа; 2 - ЛВД; 3 - штуцер; 4 - корпус электромагнита; 5 - прокладка; 6 - электромагнитная катушка; 7 - запорный вентиль; 8 - магнитный элемент; 9 - уплотнение; 10 - баллон с СПБТ; 11, 15 - контакты электромагнита; 12 - невозвратные регулируемые клапаны; 13 - возвратная пружина; 14 - трубчатый шток удержания клапана РНД; 16 - седло клапана РНД; 17 - запорный конус клапана РНД; 18 - пружина клапана РНД; 19 - ограничитель хода клапана РНД; 20 - нагнетательный клапан топливного насоса высокого давления (ТНВД) с разгрузочным пояском; 21 - ТНВД; 22 - корпус узла с клапаном РНД; 23 - клапан РНД

Поэтому на режимах малых нагрузок и холостых ходов, то есть при пониженном тепловом состоянии цилиндра, подачу СПБТ следует отключать. Это снижает эффективность метода по уменьшению дымности. Поэтому на таких режимах целесообразно отключить часть цилиндров, что повысит нагружен-ность работающих цилиндров и их тепловое состояние. Тогда подача СПБТ

в эти цилиндры сохраняется, а эффективность метода возрастает.

Испытания проведены на режимах 13-ступенчатого испытательного цикла, то есть на режимах 100, 75, 50 и 25 % нагрузки (по положению рейки ТНВД) при номинальной частоте вращения и частоте максимального крутящего момента (условно принята равной 0,6 от номинальной).

Рис. 2. Скоростные характеристики дизеля 4411/12,5 по показателям дымно сти (В) по шкале Бош и концентрациям токсичных компонентов в ОГ (СО, СН, N0^) и газодизеля с внутренним смесеобразованием на его базе: 1-4 - работа при положениях регулирующего органа соответственно 100, 75, 50 и 25 % (от номинального положения соответственно дизеля и газодизеля), при этом для газодизеля номинальным, то есть обеспечивающим получение такого же номинального крутящего момента, что и у исходного дизеля, является положение рейки йр=84 %

На рис. 2. приведены результаты испытаний дизеля и его газодизельной модификации (с внутренним

смесеобразованием), когда жидкая фаза СПБТ подается в ЛВД вблизи форсунки через клапан РНД.

Результаты анализа показателей токсичности представлены в виде диаграмм (рис. 3), отражающих вклад токсичного компонента в суммарную условную токсичность выбросов двигателя. На рисунке площади диаграмм пропорциональны величинам суммарной условной токсичности каждого компонента. Доли каждого компонента выражены в процентах от общей суммарной токсичности.

Можно отметить, что суммарная токсичность газодизеля с внутренним смесеобразованием снижается почти на 25 % по сравнению с аналогичным показателем дизеля при работе по 13-ступенчатому циклу. Это достигается как существенным снижением выбросов сажи, так и некоторым снижением концентраций оксидов азота в ОГ.

Однако преимущественное влияние оказывает все же снижение дым-ности ОГ. Об этом свидетельствует тот факт, что при общем уменьшении суммарной токсичности доля оксидов азота в суммарной «вредности» возрастает примерно на 4 %.

Диаграммы показывают, что доля токсичности, вносимая оксидами азота, достигает и даже превышает 90 % суммарной токсичности выбросов, определенной по четырем компонентам ОГ. Доля токсичности N0^ в суммарной токсичности газодизеля на 4 % выше, чем у дизеля. Однако суммарная условная токсичность газодизеля на 25 % ниже, чем у штатного дизеля, а доля токсичности, вносимая выбросом сажи, почти в три раза ниже, чем у дизеля. Очевидно, это и является основным достоинством такого газодизельного процесса еще и потому, что снижение дымности ОГ позволяет форсировать рабочий процесс по составу смеси, следовательно, и по мощности, без превышения установленного для дизеля предела дымления.

а б

Рис. 3. Сравнение долей вредности, вносимых токсичным компонентом ОГ

При работе газодизеля доля СПБТ, которая может быть добавлена к ДТ при высоких показателях протекания рабочего процесса, ограничивается низким це-тановым числом образуемого таким образом смесевого топлива. В результате на режимах малых нагрузок и холостого хода приходится либо уменьшать ввод СПБТ в топливо с помощью каких-то дополнительных регулирующих устройств, либо отключать его подачу. В результате снижается доля замещения ДТ газом, падает эффективность использования этого альтернативного топлива.

Одним из методов повышения допустимого процента замещения ДТ сжиженным газом (СПБТ) является отключение части цилиндров или циклов на режимах малых нагрузок и холостого хода, когда низкое тепловое состояние двигателя не позволяет применить добавку сжиженного газа. При отключении (деактивация) части цилиндров работающие (активные) имеют повышенные нагрузки и, следовательно, повышенные тепловые состояния, что позволяет применять СПБТ и другие легкие углеводороды с низкими цетановыми числами в качестве добавок к ДТ (рис. 4 и 5).

При работе дизеля с малыми на-

грузками происходило отключение части цилиндров. При нагрузке несколько менее 50 % дизель работал на двух цилиндрах, а при нагрузке несколько менее 25 % - на одном цилиндре. В обоих случаях активные цилиндры работали с полной нагрузкой. Дымность ОГ от каждого активного цилиндра составляла тот же уровень, что и при 100 % нагрузки. Но ОГ при отключении цилиндров разбавляются воздухом из отключенных цилиндров. В результате при применении системы отключения цилиндров и циклов (СОЦЦ) концентрация сажи в ОГ снизилась на 23 %.

Очевидно, что основную роль в повышении токсичности выбросов дизелей играют оксиды азота. Однако применение газодизельного процесса, использование отключения цилиндров и циклов позволяют снизить общую токсичность ОГ. Роль выбросов СН практически не ощутима (составляет порядка 0,2 % суммарной токсичности). Вклад СО и С также сравнительно мал.

При этом если отключение цилиндров и перевод дизеля на газодизельный процесс снижают выбросы сажи, то выбросы СО несколько возрастают. В конечном итоге применение отключения

б

Рис. 4. Влияние системы отключения цилиндров и циклов

X

3 я

и о и

Я

и д н

и о

X У 3

и

а £

3 X

s

н

70 60 50 40 30 20 10 0

К  10-3 -

1 1

ь Ш ш

— - -

I - Дизель I - Дизель с СОЦЦ I - Газодизель - Газодизель с СОЦЦ

С'

N0/

СО'

СН'

К

Компоненты ОГ и суммарная условная токсичность

Рис. 5. Сравнение условных токсичностей компонентов ОГ и суммарных условных токсичностей дизеля, дизеля с СОЦЦ, газодизеля и газодизеля с СОЦЦ по результатам реализации 13-ступенчатого цикла

цилиндров, перевод двигателя на газодизельный процесс с внутренним смесеобразованием и совместное использование этих методов позволяют снизить общую суммарную условную токсичность двигателя Ксум. Относительное уменьшение этой токсичности показано на рис. 6. Видно, что если принять суммарную условную токсичность дизеля в

штатном исполнении за 100 %, то уровень суммарной токсичности газодизеля с системой отключения цилиндров составит около 70 %. Переход на газодизельный процесс с внутренним смесеобразованием может снизить суммарную условную токсичность на 25 %.

При применении СОЦЦ снижается токсичность выбросов как дизеля, так

47

Рис. 6. Относительная условная токсичность (Кт) разных модификаций двигателя: 1 - дизель; 2 - дизель с СОЦЦ; 3 - газодизель; 4 - газодизель с СОЦЦ

и газодизеля. Правда, для газодизеля этот метод дает лишь 9 % снижения в суммарной условной токсичности. Интересно, что газодизель с СОЦЦ имеет в общей суммарной токсичности меньшую долю N0^, на 2 % меньше сажи, но на 4 % больше СО. Доля токсичности, вносимой углеводородами, составляет около 0,2 %.

Приведенные расчетно-экспери-ментальные данные являются в определенной мере приближенными, так как исследования проведены на установившихся режимах, то есть на прогретом

двигателе и при постоянных значениях нагрузки. В реальных условиях эксплуатации результаты исследования будут изменены наличием переходных процессов в системах, а также переменностью и неравенством нагрузок, выбранных в исследовании.

И все же результаты подтверждают целесообразность применения как методов добавки к дизельному топливу сжиженного пропан-бутана, так и методов регулирования дизеля изменением рабочего объема двигателя.

_ Литература

1. Патрахальцев Н.Н. Повышение экономических и экологических качеств двигателей внутреннего сгорания на основе применения альтернативных топлив: Учеб. пособие. - М.: РУДН, 2008. - 267 с., ил.

2. Патрахальцев Н.Н., Страшнов С.В., Мельник И.С., Корнев Б.А. Изменение числа работающих цилиндров дизеля - вариант повышения экономичности его режимов малых нагрузок // Автомобильная промышленность. - 2012. - № 2. - С. 1113.

3. Игнатович И.В., Кутенев В.Ф., Рытвинский Г.Н. Квалиметрический метод оценки токсичности двигателей // Вестник машиностроения. - 1991. - № 7. - С. 9-12.

4. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А., Виноградский В.Л. Регулирование начального давления топлива - методы и средства повышения экономичности и эффективности работы дизелей // Автомобильная промышленность. - 2002. - № 3. - С. 8-19.