Технические науки / 4 Транспорт

Д.т.н. Кукис В.С.¹, Омельченко Е.А.²

¹Южно-Уральский государственный университет

²Омский автобронетанковый инженерный институт

Влияние рециркуляции и нейтрализации
отработавших газов на экологические показатели дизелей

Анализ мирового и отечественного опыта использования систем рециркуляции отработавших газов (РОГ) для снижения выбросов вредных веществ показывает, что применение РОГ, как и большинство других методов воздействия на NO_x, обычно приводит к увеличению выбросов продуктов неполного сгорания: оксида углерода СО и твердых частиц (РМ), а также к увеличению дымности отработавших газов. Что касается эмиссии суммарных углеводородов, то их изменение возможно как в сторону увеличения, так и уменьшения – в зависимости от особенностей организации как системы рециркуляции, так и самого рабочего процесса дизеля.

Для дизелей с турбонаддувом целесообразно производить отбор отработавших газов после турбины, подводом рециркулируемых газов во впускной коллектор перед компрессором (система низкого давления), а также охладителя ОГ в системе РОГ и/или охладителя наддувочного воздуха.

Дизели с системами РОГ есть в производственных программах всех ведущих мировых производителей. Применение для дизелей с турбонаддувом и электронным управлением подачей топлива рециркуляции отработавших газов позволяет снизить выбросы оксидов азота в среднем на 60 %, при этом стоимость двигателя увеличивается примерно на 15 %.

Объектом исследования является четырехтактный четырехцилиндровый дизель с рядным расположением цилиндров, оснащенный системами рециркуляции и нейтрализации.

Для измерения расхода рециркулирующих газов была изготовлена и смонтирована на дизеле специальная система, в которой в качестве первичного прибора использовался авиационный расходомер, а в качестве вторичного прибора – тахометр 7ТЗ по ГОСТ 21339-82.

Схема системы рециркуляции с местами установки датчиков приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема системы рециркуляции и нейтрализации ОГ:
1 – расходомер, 2 – нейтрализатор, 3 – заслонка, регулирующая объём рециркуляционного газа, 4 – компрессор, 5 – ОНВ, 6 – турбина, 7 – смеситель газов, t – точки измерения температуры газов, p – точки измерения давления газов

Отбор отработавших газов из выпускного тракта в систему рециркуляции осуществляется после турбины (перед нейтрализатором). Смеситель рециркулирующих отработавших газов и воздуха на впуске размещается перед компрессором. Система обеспечивает возможность регулировки объёмного расхода рециркулирующего газа в диапазоне не менее 0…20 % от объёмного расхода воздуха. Конструкция заслонки, регулирующей объёмный расход рециркулирующих газов, обеспечивает возможность её установки в фиксированные положения.

Испытания проводились в два этапа. На первом этапе – с системой рециркуляции отработавших газов (без нейтрализатора), на втором этапе – с системами рециркуляции и нейтрализации отработавших газов.

Испытания дизеля в исходной комплектации показали, что основные параметры дизеля соответствуют техническим условиям (табл. 1).

Таблица 1

Основные параметры дизеля

Параметр	Значение
	по ТУ	измеренное
Номинальная мощность, кВт	не менее 150	151,6
Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, мин^-1	1850±50	1800
Максимальный крутящий момент, Н·м	не менее 973	976
Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, мин^-1	1250±50	1200
Номинальный удельный расход топлива, г/(кВт·ч)	218^+7	225

Дымность отработавших газов на установившихся режимах, определенная по методике ГОСТ 17.2.2.02, составила 38,1 % при норме 54 %. Результаты определения концентрации вредных веществ в отработавших газах дизеля в базовой комплектации соответствуют требованиям ГОСТ Р 41.96 и составляют:

- для оксидов азота – 5,91 г/(кВт·ч) при норме 6 г/(кВт·ч);

- для оксида углерода (II) – 0,97 г/(кВт·ч) при норме 3,5 г/(кВт·ч);

- для углеводородов – 0,24 г/(кВт·ч) при норме 1 г/(кВт·ч);

- для вредных частиц – 0,19 г/(кВт·ч) при норме 0,2 г/(кВт·ч).

Характеристика выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизеля с системой рециркуляции и нейтрализатором «КНД-Рила» приведена на рис. 2 и 3.

Сравнительные данные по параметрам дизеля в различных комплектациях приведены в табл. 2.

Рис. 2. Концентрация оксидов азота в отработавших газах дизеля

(по ГОСТ Р 41.96)

Рис. 3. Расход потока вредных частиц с отработавшими газами дизеля

(по ГОСТ Р 41.96)

Таблица 2

Выбросы вредных веществ с отработавшими газами дизеля

Параметр	Комплектация
	исходная	с РОГ	с РОГ и нейтрализатором	норма по ГОСТ  Р 41.96*
Выбросы, г/(кВт·ч):
- NOx - CH - NOx+CH - CO - PM	5,91 0,24 6,16 0,97 0,19	2,63 0,28 2,91 1,26 0,29	2,18 0,06 2,24 1,37 0,17	6,0 1,0 (6,6) 3,5 (1,1) 0,20 (0,30)
Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт·ч)	225,0	227,1	229,9

Примечание: * – для дизелей мощностью от 130 до 560 кВт

Удельные выбросы вредных веществ с ОГ дизеля с системой рециркуляции отработавших газов (без нейтрализатора) составили:

- оксидов азота – 2,63 г/(кВт·ч) (снижение на 55 % по сравнению с исходной комплектацией);

- оксида углерода (II) – 1,26 г/(кВт·ч) (увеличение на 30 %);

- углеводородов – 0,28 г/(кВт·ч) (увеличение на 18 %);

- вредных частиц – 0,29 г/(кВт·ч) (увеличение на 45 %).

Дымность отработавших газов на установившихся режимах составила 44,1 % (увеличение на 37 % по сравнению с исходной комплектацией). Удельный расход топлива на режиме номинальной мощности – 227,1 г/(кВт·ч).

Удельные выбросы вредных веществ с отработавшими газами дизеля с системой рециркуляции отработавших газов (заслонка РОГ устанавливается в положение соответствующее алгоритму оптимального управления) и нейтрализатором «КНД-Рила» составили:

- оксидов азота – 2,18 г/(кВт·ч) (снижение на 63 % по сравнению с исходной комплектацией);

- оксида углерода (II) – 1,37 г/(кВт·ч) (увеличение на 41 %);

- углеводородов – 0,06 г/(кВт·ч) (снижение на 75 %);

- вредных частиц – 0,17 г/(кВт·ч) (снижение на 11 %).

Дымность отработавших газов на установившихся режимах составила 44,5 % (увеличение на 38 % по сравнению с исходной комплектацией). Удельный расход топлива на режиме номинальной мощности увеличился до 229,9 г/(кВт·ч).

Применение системы рециркуляции отработавших газов (без нейтрализатора) на дизеле приводит к снижению выбросов оксидов азота, увеличению выбросов оксида углерода (II), увеличению выбросов углеводородов, увеличению выбросов вредных частиц. Дымность отработавших газов на установившихся режимах увеличилась. Удельный расход топлива на режиме номинальной мощности увеличился.

Применение системы рециркуляции отработавших и нейтрализатора «КНД-Рила» на дизеле приводит к снижению выбросов оксидов азота, увеличению выбросов оксида углерода (II), снижению выбросов углеводородов, снижению выбросов вредных частиц. Дымность отработавших газов на установившихся режимах увеличилась. Удельный расход топлива на режиме номинальной мощности увеличился.

Литература

1. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2000. – 256 с.

СТАТЬЮ ЖЕЛАТЕЛЬНО ПОМЕСТИТЬ В МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ «ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ И ПРИКЛАДНАЯ НАУКА», КОТОРАЯ БУДЕТ ПРОХОДИТЬ В ВЕЛИКОБРИТАНИИ С 30 ОКТЯБРЯ ПО 7 НОЯБРЯ.