Технические науки/3.Отраслевое машиностроение

Д.т.н. Никишин В.Н., Хлюпин В.Б.

Набережночелнинский институт (филиал)

Казанского (Приволжского) федерального университета, Россия

Перспективы применения вихрекамерных дизелей

В 2015 году в странах Европейского союза вводятся экологические нормы Евро – 6. Все новые выпускаемые автомобили должны будут соответствовать этим нормам. Некоторые производители дизелей для грузовых автомобилей (Scania, Volvo, Daimler Benz) уже к 2014 году сертифицировали свои двигатели по этому стандарту.

Для дизелей класса N₂ в стандарте Евро – 6 по сравнению со стандартом Евро – 5 существенно снижаются выбросы оксидов азота – в 4 раза, выбросы углеводородов – в 3,5 раза и твердые частицы – в 2 раза (таблица 1). Основными мероприятиями для соответствия дизелей экологическим нормам Евро – 6 являются: многофазный непосредственный впрыск топлива в неразделенную камеру сгорания с максимальным давлением впрыска топлива 200–250 МПа; рециркуляция отработавших газов (ОГ); наличие одного или двух каталитических нейтрализаторов ОГ; использование сажевого фильтра; впрыск раствора мочевины в ОГ [4]. В результате переход к более высоким экологическим стандартам приводит к усложнению систем двигателя и его удорожанию.

Таблица 1. Экологические нормы Евро для дизелей

Масса автомобиля, более 3,5 т ЕЭК ООН, 49-02	Удельный выброс вредных веществ, г/(кВт·ч)
	Оксиды азота, NOx	Оксид углерода, CO	Углеводороды, СmHn	Твердые частицы, PM
Евро-4 (с 2005 г.)	3,5	1,5	0,46	0,02
Евро-5 (с 2009 г.)	2,0	1,5	0,46	0,02
Евро-6 (с 2015 г.)	0,5	1,5	0,13	0,01

Одним из решений рассмотренных экологических и экономических проблем может являться применение вихрекамерных дизелей. К преимуществам таких дизелей относится [2]:

1) простая организация процесса смесеобразования, позволяющая реализовать номинальные частоты вращения коленчатого вала на уровне 4500 – 5000 мин^-1 и получить большую мощность, чем в дизелях с неразделенными камерами сгорания;

2) нетребовательность к сорту топлива и невысокие максимальные давления впрыска 40 – 50 МПа, приводящие к снижению стоимости топливной аппаратуры и двигателя;

3) недостаток атомарного кислорода в начальной фазе сгорания (вихревая камера) и значительное снижение температуры в основной фазе (основная камера сгорания) ограничивают образования оксидов азота;

4) интенсивное перемешивание топливовоздушной смеси и неполных продуктов сгорания в основной камере сгорания в завершающей фазе сгорания способствует их догоранию и уменьшению концентрации оксида углерода;

5) сокращение времени задержки воспламенения и интенсивная турбулизация топливовоздушной смеси в диффузионной фазе сгорания приводят к уменьшению концентрации углеводородов;

6) гомогенизация заряда в объемах вихревой и основной камер, ускорение предпламенных реакций, снижение количества топлива, попадающего на горячую поверхность, а также турбулизация в конечной фазе сгорания также снижают концентрацию сажи.

Таким образом, рабочий процесс в вихрекамерном дизеле по нормируемым экологическим показателям оказывается лучше в сравнении с дизелем с неразделенной камерой сгорания.

Существенный недостаток вихрекамерного дизеля – низкий уровень топливной экономичности из-за тепловых потерь и потерь при перетекании заряда из одной камеры в другую. Но можно отметить, что ведутся работы по улучшению топливной экономичности вихрекамерных дизелей [3], также рассматриваются мероприятия по дальнейшему снижению эмиссии токсичных компонентов [1].

Авторами статьи были проведены исследования вихрекамерного дизеля 1Ч 8,5/11 с впрыском воды во впускной трубопровод. Исследовалось влияние впрыска воды на содержание некоторых вредных веществ в ОГ дизеля. Эксперименты проведены на режиме n = 1500 мин^-1 с нагрузкой p_e = 0,33 МПа и на режиме n = 900 мин^-1 с нагрузкой p_e = 0,4 МПа. Результаты представлены в виде зависимостей удельных выбросов вредных веществ от относительной массы впрыскиваемой воды w, где w=G_вод/G_т – отношение массы воды к массе топлива, используемой в расчете (рисунки 1,2,3).

Анализ зависимостей показал, что впрыск воды во впускной трубопровод уменьшает в 3-4 раза содержание оксидов азота NO_x в ОГ (рисунок 1). Это связано со снижением максимальных температур в цикле, вследствие подачи воды, а образование оксидов азота, прежде всего, зависит от температуры горения и коэффициента избытка воздуха.

Анализ зависимостей содержания продуктов неполного сгорания, выявил, что впрыск воды целесообразен в диапазоне 0,5≤w≤1 (рисунки 1,2,3). В этом диапазоне подач воды отмечено снижение оксида углерода CO, углеводородов C_mH_n, диоксида углерода CO₂, сажи. Это объясняется тем, что вода является реакционноспособным соединением и даже в незначительных количествах ускоряет многие химические реакции. В результате чего образуются химически активные углеводородные радикалы и , которые участвуют в окислении топлива и улучшают процесс сгорания. Впрыск воды при w>1 уже нецелесообразен, поскольку впрыскиваемая вода, значительно снижая температуры в цикле, препятствует процессу сгорания.

Рисунок 1 – Зависимости удельных выбросов оксидов азота NO_x и углерода CO от относительной массы впрыскиваемой воды:

1 – n = 1500 мин^-1; 2 – n = 900 мин^-1

Рисунок 2 – Зависимости удельных выбросов углеводородов C_mH_n и диоксида углерода CO₂ от относительной массы впрыскиваемой воды:

1 – n = 1500 мин^-1; 2 – n = 900 мин^-1

Рисунок 3 – Зависимость удельного

выброса сажи от относительной массы

впрыскиваемой воды на режиме

n = 900 мин^-1

Таким образом, можно сделать вывод о том, что возможности улучшения экологических показателей вихрекамерных дизелей еще не исчерпаны. А если учесть более низкую стоимость топливной аппаратуры и самого двигателя в целом по сравнению с дизелями с непосредственным впрыском топлива, то существуют определенные перспективы их применения как на автомобилях, так и в других транспортных средствах.

Литература:

1. Дунаев А.В., Железницкий А.И. Вода и сгорание топлива в ДВС // Тракторы и сельхозмашины. 2013. №8. С.30-32.

2. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей: учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 720 с.

3. Клюс О.В. Повышение топливной экономичности и снижение уровня токсичности выхлопных газов дизеля с разделенной камерой сгорания // Научный журнал морской академии в Щецине. 2012. №31(103). С. 117-121.

4. Мозер Ф.К. Дизель в 2015 г. Требования и направления развития технологий дизелей для легковых и грузовых автомобилей // Ассоциация автомобильных инженеров. Журнал ААИ. 2008. №4(51). С.10-19.