Влияние параметров топливоподачи и рециркуляции отработавших газов на выбросы вредных веществ дизельных двигателей

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

УДК 621.436-634:502.17 DOI: 10.30977/АТ.2219-8342.2018.42.0.5

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВОПОДАЧИ И РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ НА ВЫБРОСЫ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ДИЗЕЛЬНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Кухаренок Г.М., Березун В.И., Белорусский национальный технический университет

Аннотация. Рассмотрены основные направления стратегии снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизельных двигателей. Установлены параметры, оказывающие определяющее воздействие на протекание рабочего процесса. Определены основные подходы, позволяющие организовать протекание рабочего процесса с учетом современных представлений о сгорании в дизельных двигателях и снижении «сырого» выброса.

Ключевые слова: рабочий процесс, выбросы вредных веществ, рециркуляция, параметры топ-ливоподачи, регрессионные зависимости.

Введение

Дизельные двигатели, применяемые на автомобильном транспорте, внедорожной технике, в качестве энергетических установок и т.д., являются одним из существенных источников загрязнения окружающей среды. В связи с этим во всем мире на законодательном уровне ограничивают выбросы вредных компонентов отработавших газов (ОГ): оксидов азота (N0,), оксидов углерода (СО), углеводородов (ТНС) и дисперсных частиц (РМ).

Анализ публикаций

Нормы выбросов загрязняющих веществ для грузовых транспортных средств в Республике Беларусь гармонизированы с евро-

пейским и международным законодательствами. В их основе заложены требования Правил ЕЭК ООН №№ 24, 49 и 96.

Постоянно ужесточающиеся требования экологической безопасности определили появление ряда направлений достижения выбросов вредных веществ, совокупность которых представляет стратегию снижения выбросов (рис. 1). Из всех регламентируемых выбросов для дизельных двигателей наиболее сложным в достижении является одновременное снижение оксида азота (N0,) и дисперсных частиц (РМ). Ввиду того, что эти параметры находятся в обратной зависимости друг от друга, совершенствование двигателя представляет собой сложный процесс [1, 2].

Г юг дез РОГ

Рис. 1. Стратегия достижения современных требований экологической безопасности: СФ - сажевый фильтр; СКВ - селективно-каталитическое восстановление; РОГ - рециркуляция отработавших газов

С учетом того, что достижение современных экологических норм, помимо рассмотрения средств совершенствования рабочего процесса, необратимо связано с использованием систем очистки отработавших газов, выделяют три основных направления стратегии:

- доводка рабочего процесса в сторону снижения выбросов NOx, а возрастающие при этом выбросы РМ снижают за счет применения технологии сажевых фильтров

(СФ);

- доводка рабочего процесса в сторону снижения выбросов РМ, а возрастающие при этом выбросы NOx снижают за счет применения технологии селективно-каталитического восстановления (СКВ);

- комбинированный способ снижения выбросов вредных веществ.

Выбор между подходами зависит от области применения и режимов эксплуатации транспортного средства, наличия качественного малосернистого дизельного топлива, доступности реагентов на заправочных станциях и т.д.

Многие известные производители, ограниченные временем вступления промежуточных стадий экологических норм и рассматривая рабочий процесс двигателя как основной источник снижения выбросов вредных веществ, исследовали новейшие технологии топливоподачи с давлением впрыска выше 200 МПа и высокопроизводительные системы наддува, в дальнейшем заявляя о необходимости применения современных экспериментальных систем для выполнения перспективных требований экологического законодательства. Максимальное давление сгорания в цилиндре в такой комплектации находится на уровне 20 МПа, что предполагает внедрение сложных технических решений, обеспечивающих более надежный газо-жидкостный стык, большую прочность деталей двигателя и производительность системы охлаждения. Однако, начиная с норм ЕВРО-4 и Stage 3B, обеспечить экологические выбросы только за счет совершенствования рабочего процесса становится проблематично, поэтому мировые производители на двигателях высокого технического уровня активно внедряют системы очистки ОГ [3]. С учетом развития технологий очистки, постановка задачи модифицировалась в сторону нахождения компромисса между сложностью (как следствие - удорожанием конструктивных элементов двигателя) и совершенствованием технологии очистки.

С другой стороны, применение систем очистки ОГ с большой эффективностью позволяет получить высокие экологические показатели на двигателях более низкого технического уровня, отличающихся простотой конструкции, с относительно высокими «сырыми» выбросами вредных веществ. Как правило, спрос на такую продукцию возникает у потребителей внедорожной техники, значительно удаленных от сервисных центров и вынужденных самостоятельно обслуживать технику в полевых условиях. Недостатком такого решения является более высокий расход топлива и дорогая система нейтрализации ОГ с высоким уровнем вложений драгоценных металлов, необходимых для обеспечения компенсации ухудшения показателей ввиду ускоренного снижения эффективности системы при работе с высокой степенью конверсии.

Рекомендаций по определению соотношения между необходимой степенью совершенствования рабочего процесса дизеля и степенью сложности технологии очистки ОГ, с точки зрения создания комплексной сбалансированной системы, в современных научных работах не предлагается. В связи с этим возникает неопределенность в сфере определения граничных условий параметров, определяющих характер протекания рабочего процесса, для каждого режима цикла токсичности. Решение этого вопроса в призме рассмотрения обеспечения результирующего значения выбросов с учетом топливной экономичности является одной из важнейших задач совершенствования рабочего процесса.

Рассмотрев работы по совершенствованию рабочего процесса в совокупности с направлениями стратегии снижения выбросов вредных веществ, следует выделить неизменяющиеся конструктивные параметры и регулировочные (оперативные) параметры, варьируемые в процессе работы двигателя (рис. 2). Причем перевод параметров в изменяющиеся в зависимости от режима работы повышает потенциал снижения выбросов вредных веществ, однако снижает надежность и долговечность двигателя.

Доводка двигателей внутреннего сгорания представляет собой процесс поиска компромисса между уровнем «сырого» выброса и эффективностью системы очистки ОГ, зависящей не только от конфигурации и наполнения самой системы, но и от температуры ОГ.

/"" Конструктивные параметры ЛВС

- Степень сжатия

- Форма КС

- ВихреВае отношение Впускных каналоВ

- Конфигурация распылителя

- Фазы газораспределения Конфигурация турбокомпрессора

Конструктивные параметры

системы очистки ОС

Параметры топлиВоподачи:

- Давление Впрыска

- Угол опережения Впрыска

Регулировочные

Параметры состава Воздушного заряда В цилиндре:

- Степень РОС

Рис. 2. Параметры, оказывающие определяющее воздействие на протекание рабочего процесса и выброс вредных веществ

Температура ОГ, в свою очередь, также зависит от процессов, протекающих внутри цилиндра и формирующих непосредственно сырой выброс вредных веществ.

Опыт в доводке рабочего процесса показывает, что эффективность настроек при различных сочетаниях конструктивных элементов не совпадает. Ввиду чего наиболее остро ставится вопрос выработки подхода к определению рациональных настроек регулировочных параметров при различной комплектации двигателя.

Среди рассмотренных факторов особого внимания заслуживают параметры: давление впрыска, угол опережения впрыска и степень РОГ ввиду определяющего влияния на выбросы вредных веществ и топливно-эконо-мические показатели. Вместе с тем смещение диапазона эффективных значений варьируемых параметров определяется базовыми конструктивными параметрами двигателя. В связи с этим применение аккумуляторных систем впрыска позволяет осуществлять гибкое управление давлением впрыска и углом опережения впрыска без усложнения конструкции, а в совокупности с применением системы РОГ позволяет согласовать между собой конструктивные параметры двигателя на различных режимах работы.

Выделенные параметры достаточно подробно исследованы в научных публикациях, однако ужесточение законодательства по отношению к дизельным двигателям в свете современной стратегии снижения выбросов вредных веществ требует уточнения их взаимного влияния на экологические и топлив-но-экономические показатели.

Цель и постановка задачи

Целью работы является улучшение экологических и топливно-экономических показателей за счет совершенствования рабочего процесса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ направлений стратегии по снижению выбросов вредных веществ и параметров, оказывающих воздействие на протекание рабочего процесса; выбрать конструктивные и регулировочные параметры дизелей высокого экологического уровня.

Выбор конструктивных и регулировочных параметров дизеля, систем топливоподачи и РОГ

Для обеспечения современного уровня топливно-экономических и экологических показателей объекта исследования: тракторного дизельного двигателя 4ЧН11/12,5 мощностью 90 кВт с рециркуляцией отработавших газов (РОГ) - была проведена работа по выбору базовых конструктивных параметров двигателя с учетом тенденций развития дви-гателестроения.

Основные тенденции согласования формы камеры сгорания и конфигурации распылителя изображены на рис. 3 и заключаются в одновременном увеличении диаметра горловины, угла раскрытия шатра факела и количества отверстий распылителя.

При этом, исходя из условия сохранения степени сжатия и необходимости реализации возросшей дальнобойности топливной струи за счет увеличения />впр, глубина камеры сгорания (КС) уменьшается с образованием

вытеснителя в центральной части при диаметре горловины 67,6 мм [4, 5].

Рис. 3. Тенденции согласования формы камеры сгорания и конфигурации распылителя: 1 - увеличение угла раскрытия топливных факелов; 2 - увеличение глубины КС с образованием вытеснителя; 3 - увеличение диаметра горловины КС

Увеличение Рвпр позволяет сместить процесс в сторону объемного смесеобразования и снизить газодинамические потери за счет изменения конструкции головки блока цилиндров в сторону снижения вихревого отношения впускных каналов до 3,75 (рис. 4) [1, 6].

Рис. 4. Объёмные модели стержня впускного канала и ГБЦ

По итогам работ по исследованию различных способов организации РОГ выбрана регулируемая РОГ по контуру высокого давления с охлаждением пропускаемых ОГ (рис. 5) [7].

Рис. 5. Система РОГ по контуру высокого

давления

В результате проведенных работ были выбраны конструктивные параметры КС, распылителя, головки блока цилиндров и системы РОГ объекта исследования. Совершенствование конструктивных параметров без согласования с оперативно изменяющимися в процессе работы двигателя параметрами позволяет лишь оценить общие тенденции изменения экологических и топливно-экономических показателей. Согласовать же несколько конструктивных параметров ввиду взаимного влияния друг на друга является сложной задачей, решить которую можно лишь при выработке подхода выбора регулировочных параметров управления рабочим процессом.

Для выбора регулировочных параметров систем топливоподачи и РОГ проведено моделирование рабочего процесса на всех характерных точках цикла NRSC по методике, приведенной в работе [3]. По результатам исследования, проведенного согласно ортогонального плана-эксперимента с учетом возможности объекта исследования, построены регрессионные зависимости оценочных параметров (ОП), в качестве которых выбраны N0,, РМ, ge от регулировочных параметров Рвпр, 0, р p

р Р

ОП = -р2р + - ^в'пр + ^2-е2 -^-рр -

-к - Рвпр - к -е + к

РБИр е р рРБИр

е2 ~ "рр гр

- (р - Р ) -

^Г р ^ впр '

-Кре-(рр-е)-КР е- (Рвпр-е)+к0,

Рр

где К 2 - коэффициент регрессии при рр с регрессии при ( р р • Р ) с учетом приведе-

учетом приведения; К 2 - коэффициент ре- ния; Крр9 - коэффициент регрессии при

грессии при Рв2пр с учетом приведения; Ко2 -

коэффициент регрессии при 92 с учетом приведения; КРр - коэффициент регрессии

при рр с учетом приведения; К - коэффи-

рвпр

циент регрессии при Рвпр с учетом приведения; К0 - коэффициент регрессии при 9 с учетом приведения; К - коэффициент

р рРвпр

Таблица 1 - Коэффициенты регрессии оценочных параметров для номинального режима

с учетом приведения

( р р -9) с учетом приведения; К - коэф-

рвпр9

фициент регрессии при (Рвпр • 9) с учетом

приведения; К0- свободный член регрессионной зависимости.

Коэффициенты регрессии оценочных параметров для номинального режима приведены в табл. 1.

Коэффициенты регрессии Оценочные параметры

Яе N0, РМ

К 2 рр 1008,78 83,54 16,15

К 2 р2 впр 0,00 0,00 0,00

К 2 92 0,20 0,02 0,00

Кр р 16,48 3,25 3,90

К р впр -0,82 0,04 -0,01

К 9 -10,34 -0,15 -0,01

К р рвпр -0,84 -0,26 -0,03

Крр9 -3,23 -2,37 -0,05

К Р 9 впр 0,04 0,00 0,00

Ко 337,96 -0,25 0,67

Полученные регрессии позволили провести выбор параметров топливоподачи и степени РОГ по принципу нелинейной оптимизации с учетом требуемого экологического уровня и топливной экономичности. По результатам исследования влияния параметров топливоподачи и РОГ на выбросы вредных веществ определены три основных подхода в области настройки рабочего процесса: минимизация N0,, РМ и ge. Анализ регрессионных зависимостей выброса вредных веществ от регулировочных параметров показывает целесообразность использования высокого давления впрыска за счет перераспределения 0 и р^. Так, для различных значений N0x минимизировать РМ рационально при низких значениях р^ за счет выбора 0. Минимальный выброс N0,, при различном уровне РМ удается реализовать за счет изменения р^ при 0,

находящихся в нижнем диапазоне границ исследования. Минимизировать ge на номинальном режиме позволяет использование РОГ на уровне 8-11 % при обеспечении нахождения коэффициента избытка воздуха в диапазоне значений заведомо выше порога дымления, но ниже 2-2,2.

Выводы

Выбраны конструктивные параметры системы РОГ, распылителя, впускных каналов, головки блока цилиндров и камеры сгорания для дизельных двигателей высокого экологического класса.

Получены значения регулировочных параметров, позволившие сформировать алгоритм управления электронным блоком управления и обеспечить достижение «сырого» выброса дисперсных частиц ниже

0.025.г/кВтч, соответствующего уровню Stage 4.

Литература

1. Кухаренок Г.М. Обеспечение экологиче-

ских показателей уровня ЕВРО-4 и ЕВРО-5 на автомобильных дизелях Минского моторного завода / Г.М. Кухаренок, С.П. Севиздрал, В.И. Березун // Вести автомобильно-дорожного института. - 2012. - №1(14). - С. 95-105.

2. Кухаренок Г.М. Сокращение выбросов

вредных веществ дизельными двигателями / Г.М. Кухаренок, В.И. Березун // Совершенствование организации дорожного движения и перевозок пассажиров и грузов. - 2013. - С. 314-323.

3. Кухаренок Г.М. Снижение выбросов вред-

ных веществ дизельных двигателей: монография / Г.М. Кухаренок, А.Н. Петру-ченко, В.И. Березун. - М.: Новое знание, 2014. - 220 с.

4. Кухаренок Г.М. Выбор формы камеры

сгорания дизельного двигателя / Г.М. Кухаренок, А.Н. Петрученко,

B.И. Березун // Весник СевНТУ. - 2014. - С. 65-68.

5. Кухаренок Г.М. Выбор формы камеры

сгорания дизельного двигателя с низкой интенсивностью впрыска / Г.М. Кухаре-нок, В.И. Березун // Совершенствование организации дорожного движения и перевозок пассажиров и грузов, 2014. -

C.180-184.

6. Березун В.И. Влияние вихревого отноше-

ния впускных каналов на показатели двигателя / В.И. Березун // Наука - образованию, производству, экономике: материалы 12-й МНТК. - 2014. т. 2. -С. 45-46.

7. Кухаренок Г.М. Выбор параметров систе-

мы рециркуляции отработавших газов / Г.М. Кухаренок, В.И. Березун // Наука и техника. - 2014. - № 1. - С. 57-63.

References

1. Kukharenok, G.M., Cevizdral, S.P. Bere-zun, V.I. (2012). Obespechenie ekologi-cheskikh pokazatelei urovnya EVRO-4 i EV-RO-5 na avtomobilnykh dizelyakh Minskogo motornogo zavoda [Ensuring environmental indicators at the level of EURO-4 and EURO-5 on automobile diesel engines of the Minsk Motor Plant]. Vesti avtomobil 'no-dorozhnogo instituta, 1(14), 95-105 [in Russian].

2. Kukharenok, G.M., Berezun, V.I. (2013).

Sokrashchenie vybrosov vrednykh ve-shchestv dizelnymi dvigatelyami [Reduction of emissions of harmful substances by diesel engines]. Sovershenstvovanie organizatsii dorozhnogo dvizheniya i perevozok passazhirov i gruzov - Improving the organization of road traffic and passanger and cargo transportation, 314-323 [in Russian].

3. Kukharenok, G.M., Petruchenko, A.N.,

Berezun, V.I. (2014). Snizhenie vybrosov vrednykh veshchestv dizel'nykh dvigatelei [Reduction of emissions of harmful substances of diesel engines]. Moscow: Novoe znanie [in Russian].

4. Kukharenok, G.M., Petruchenko, A.N.,

Berezun V.I. (2014). Vybor formy kamery sgoraniya dizel'ogo dvigatelya [Choice of the shape of the combustion chamber of a diesel engine]. Vesnik SevNTU - Bulletin SevNTU, 65-68 [in Russian].

5. Kukharenok, G.M., Berezun, V.I. (2014).

Vybor formy kamery sgoraniya dizelnogo dvigatelya s nizkii intensivnost'yu vpryska [Choice of the shape of the combustion chamber of a diesel engine with a low injection rate]. Sovershenstvovanie organizatsii dorozhnogo dvizheniya i perevozok passazhirov i gruzov - Improving the organization of road traffic and passanger and cargo transportation. Minsk: BNTU, 180-184 [in Russian].

6. Berezun, V.I. (2014). Vliyanie vikhrevogo

otnosheniya vpusknykh kanalov na pokazateli dvigatelya [Influence of vortex ratio of intake channels on engine performance]. Nauka - obrazovaniyu, proizvodstvu, ekonomike: materialy 12-i MNTK - Science - education, indastry, economics: Processing of 12th ISPC, t. 2, 45-46 [in Russian].

7. Kukharenok, G.M., Berezun, V.I. (2014).

Vybor parametrov sistemy retsirkulyatsii otrabotavshikh gazov [Selecting the parameters of the exhaust gas recirculation system]. Nauka i tekhnika - Science and technology, 1, 57-63 [in Russian].

Кухаренок Георгий Михайлович, д.т.н., проф., кафедра двигателей внутреннего сгорания, Белорусский национальный технический университет, ул. Я. Коласа, 12, 220013, г. Минск, Республика Беларусь, тел. +3751729281-86, e-mail: kux@tut.by

Березун Виталий Иванович, зам. гл. конструктора ОАО «Управляющая компания холдинга

«Минский моторный завод», инж., Минский моторный завод, ул. Ваупшасова, 4, 220070, г. Минск, Республика Беларусь, тел. +37517230-36-36, e-mail: vitaliy.berezun@gmail.com.

INFLUENCE OF FUEL SUPPLY PARAMETERS AND EXHAUST GAS

RECIRCULATION ON DIESEL EMISSIONS

Kukharenok G., Belarusian National Technical University, Berazun V., OJSC «Minsk Motor Plant» Holding Manading Company

Abstract. Diesel engines used in road transport and other power plants are the sources of environmental pollution. Therefore, it is necessary to search for new approaches to the working process organization that allow reducing emissions of harmful substances in exhaust gases: nitrogen oxides (NOx), carbon oxides (CO), hydrocarbons (THC) and particulate matter (PM). Problem. The most difficult problem to fulfil the standard requirements to the emission of harmful substances in exhausted gases of diesel engines is simultaneous reduction of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM), due to the fact that these parameters are inversely related. Goal. The purpose of the research is to improve the ecological and fuel-economic parameters owing to working process improvement, determine the engine rational adjustment parameters: fuel injection pressure; fuel injection advance angle; degree of recirculation of exhaust gases; design parameters: the shape of the combustion chamber and the configuration of the injector nozzle, the controlled exhaust gases recirculation (EGR) over the high pressure circuit with cooling of the bypassed exhaust gas. Methodology. To choose adjusting parameters of the fuel supply system and the EGR, modeling of working process at all characteristic points of the NRSC cycle is carried out. Results. The minimum NOx emission at a different PM level is realized by changing the fuel injection pressure, the fuel injection advance angle and the EGR degree that is in the lower range of the study boundaries. Reduction of specific effective fuel rate at the nominal mode has been obtained due to the used EGR at the level of 8-11%. Originality. Based on the results of the research, the regressive dependencies of the change in the evaluation parameters NOx, PM, ge on the adjusting parameters (fuel injection pressure, the fuel injection advance angle and the EGR degree) which contribute to reducing fuel consumption and decreasing emissions of harmful substances from exhaust gases have been constructed. Practical value. Adjustment parameters which ensure the particulate matter emission corresponding to the level of Stage 4 have been obtained.

Key words: working process, harmful substances emissions, recirculation, fuel supply parameters, regression dependencies.

ВПЛИВ ПАРАМЕТР1В ПАЛИВОПОДАЧ1 I РЕЦИРКУЛЯЦП В1ДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗ1В НА ВИКИДИ ШК1ДЛИВИХ РЕЧОВИН ДИЗЕЛ1В

Кухарьонок Г.М., Бшоруський нащональний

техшчний ушверситет, Березун В.1., ОАО «Управляющая компания холдинга «Минский моторный завод»

Анотаця Дизельы двигуни, що застосову-ються на автомобшьному транспортi та ¡нших енергетичних установках, е джерелами забруд-нення навколишнього середовища. Тому необхiдно шукати новi тдходи до оргашзацИ робочого про-цесу, як дозволяють знизити викиди шюдливих речовин у вiдпрацьованих газах (ВГ): оксидiв азоту (NOJ, оксидiв вуглецю (CO), вуглеводтв (THC) i дисперсних частот (РМ). Для виконання норма-тивних вимог щодо викидiв шюдливих речовин з вiдпрацьованими газами дизельних двигутв най-бшьш складною проблемою е одночасне зниження оксидiв азоту (NOx) i дисперсних частинок (РМ), вна^док того, що ц параметри знаходяться у зворотнш залежностi один вiд одного. Метою до^дження е покращення екологiчних i паливно-економiчних показнитв за рахунок вдосконалення робочого процесу, визначення ра^ональних регу-лювальних параметрiв двигуна: тиску впорску-вання палива; кута випередження впорскування палива; ступеня рециркуляцИ вiдпрацьованих га-зiв, конструктивних параметрiв: форми камери згоряння i конф^ураци розпилювача, регульовано'1 рециркуляцИ вiдпрацьованих газiв (РВГ) по контуру високого тиску з охолодженням перепуску ВГ. Для вибору регулювальних параметрiв систем подачi палива i РВГ проводиться моделювання робочого процесу на всх характерних точках циклу NRSC. Мiнiмальний викид NOx за р1зного рiвня РМ реалгзуеться за рахунок змти тиску впорскування палива, кута випередження впорскування палива i ступеня РВГ, що знаходяться у нижньому дiапазонi меж до^дження. Зниження питомо'1 ефективно'1 витрати палива (ge) на но-мiнальному режимi отримано за рахунок викори-стання РВГ на рiвнi 8-11 %. За результатами до^дження побудоваш регресивш залежностi змiни оцточних параметрiв: NOx, РМ, ge вiд регулювальних параметрiв: тиску впорскування палива, кута випередження впорскування палива i ступеня РВГ, що сприяють зниженню витрати палива та скороченню викидiв шюдливих речовин i-з ВГ. Отримано регулювальн параметри, яю забезпечують викиди дисперсних часток, що вiд-повiдають рiвню Stage 4.

Kлючовi слова: робочий процес, викиди штд-ливих речовин, рециркуляця, параметри паливо-подачi, регресiйнi залежностi.