Е.С.
Терещенко, Е.Г. Михайлов, Д.Ю. Фадеев
Омский
филиал Военной академии материально-технического обеспечения, Россия
Пути повышения
экологических показателей дизелей транспортных средств
При совершенствовании рабочего процесса дизеля
необходимо учитывать требования не только к экономическим, но и к экологическим
показателям, к которым относятся токсичность и дымность отработавших газов.
На количество, состав и свойства отработавших
газов оказывают влияние как конструктивные, так и функциональные особенности
камеры сгорания.
При проведении экспериментальных исследований на
дизеле 1ЧН14,5/20,5 при частоте вращения коленчатого вала n=1250 мин-1, при среднем эффективном давлении Ре=0,8 МПа, был проведён
анализ изменений, происходящих в составе отработавших газов при
совершенствовании камеры сгорания типа ЦНИДИ, в частности углубления её
горловины [1]. На рисунке 1 показана зависимость содержания окислов азота,
окиси углерода, углеводородов в отработавших газах и дымности от угла
опережения начала подачи топлива.
Можно отметить одинаковый качественный характер
взаимосвязи для серийной и опытной камер сгорания. С уменьшением угла
опережения подачи топлива происходит снижение содержания в отработавших газах
окислов азота и увеличение окиси углерода при практически неизменном выходе
углеводородов. Одновременно повышается дымность отработавших газов.
Качественное сравнение содержания отдельных
компонентов отработавших газов при использовании исследуемых вариантов камер
сгорания показывает, что углубление горловины приводит к снижению концентрации
окислов азота, углеводородов и дымности. Содержание окиси углерода в
отработавших газах несколько увеличивается.
Известно, что содержание окислов азота
определяется величиной максимальной температуры цикла, концентрацией свободного
кислорода, которая пропорциональна коэффициенту избытка воздуха α, и температурой стенок камеры
сгорания. Высокая максимальная температура цикла, недостаток кислорода и
высокая температура стенок камеры сгорания способствует ускоренному образованию
NOХ. С уменьшением угла
опережения начала подачи топлива снижается максимальная температура рабочего
тела в цилиндре и поверхностей, образующих камеру сгорания (у серийного поршня
при изменении угла Ɵ с 31 до 19
градусов ПКВ до ВМТ средняя температура днища снизилась на 7 %. Концентрация
свободного кислорода при испытаниях каждой камеры сгорания практически не
изменилось. Приведённые факты объясняют сокращение выхода окислов азота с
уменьшением угла опережения топливоподачи [2].
Рисунок 1 – Влияние угла
начала подачи топлива на содержание NOX, СО, СН и сажи в отработавших газах
двигателя 1ЧН14,5/20,5, n=1250 мин-1,
Ре=0,8 МПа, – - камера сгорания ЦНИДИ, --- - камера сгорания с углубленной горловиной
Количественное сравнение содержания NOX в отработавших газах при
использовании исследуемых камер сгорания показывает, что опытный вариант
обеспечивает снижение количества окислов азота на 14,2 %. Причина этого в
меньшей максимальной температуре рабочего тела и большей концентрации
свободного кислорода (α у опытной
камеры сгорания выше).
Содержание углеводородов слабо связано с углом
опережения топливоподачи, но различается при использовании серийной и опытной
камер сгорания. Более совершенное сгорание в опытной, обусловленное активным
участием окислителя, приводит к заметному снижению углеводородов в отработавших
газах. Характер изменения концентрации СО
в зависимости от угла опережения топливоподачи хорошо согласуется с известными
теоретическими положениями ряда авторов [2, 3]. Применение камеры сгорания с углубленной
горловиной приводит к некоторому удлинению периода сгорания. Завершение
процесса сгорания смещается с НМТ. Это вызывает заметное увеличение содержания
в отработавших газах окиси углерода.
Уменьшение угла опережения топливоподачи
приводит к тому, что топливо попадает в более горячий воздух в цилиндре и
период задержки самовоспламенения несколько сокращается. Соответственно
увеличивается количество топлива, выгорающего в периоде диффузионного горения.
В этой связи образовавшаяся сажа не успевает выгорать и выделяется с
отработавшими газами. У опытной камеры сгорания интенсивность тепловыделения в
начальном периоде процесса сгорания меньше, чем таковая у камеры сгорания ЦНИДИ
[1]. Это обстоятельство определяет уменьшение дымности отработавших газов.
Для оценки влияния нагрузки на показатели
токсичности отработавших газов определялась нагрузочная характеристика дизеля
при n=1250 мин-1, которая
представлена на рисунке 2 [2].
Концентрация окислов азота в отработавших газа монотонно
возрастает. Это связанно с уменьшением концентрации свободного кислорода при
одновременном увеличении температуры газа в цилиндре. Преобладание
температурного фактора над концентрационным с повышением нагрузки приводит к
росту выхода NOX. Удельное
содержание окислов азота в отработавших газах с увеличением нагрузки убывает.
Удельное содержание окиси углерода в
отработавших газах практически не меняется до Ре=0,7 МПа, далее с ростом Ре выход возрастает. Это
связано с увеличением дефицита свободного кислорода, повышением температуры в
цилиндре с ростом нагрузки и увеличением неполноты сгорания топлива. Содержание
углеводородов в отработавших газах слабо связано с изменением нагрузки дизеля.
Дымность отработавших газов увеличивается с ростом Ре, это связано с
уменьшением коэффициента избытка воздуха.
Рисунок 2 – Изменение
содержания NOX, СО, СН и сажи в отработавших газах при работе двигателя
1ЧН14,5/20,5 по нагрузочной характеристике, n=1250
мин-1, Ṕ=Ре/Ре.ном, – - камера сгорания
ЦНИДИ, --- - камера сгорания с
углубленной горловиной
Проведённый анализ результатов исследования
токсичности и дымности отработавших газов дизеля 1ЧН14,5/20,5 с двумя вариантами
камер сгорания позволяет сделать выводы, что:
– удельное содержание окислов азота при работе с
серийной камерой сгорания на режиме номинальной мощности превышает среднестатистические
данные для дизелей с наддувом [2]. Применение опытной камеры сгорания позволяет
снизить NOX на 15 % и
обеспечить допустимый уровень их концентрации;
– содержание углеводородов в отработавших газах
исследуемого дизеля при работе на номинальном режиме при использовании камеры
сгорания с углубленной горловиной ниже на 70 %;
– работа дизеля с опытной камерой сгорания
сопровождается увеличением выхода окиси углерода, а удельное её содержание в
отработавших газах несколько превышает среднестатистические данные для дизелей
с наддувом [2]. Указанный недостаток опытной камеры сгорания устраняется при
установке на дизеле нейтрализатора отработавших газов;
– дымность отработавших газов исследуемого
дизеля меньше на 20 % в случае использования камеры сгорания с углубленной
горловиной.
Литература:
1. Кривошеина, Л.В. Особенности работы
тракторного дизеля с полуразделённой камерой сгорания, имеющей углубленную
горловину [Текст] / Л.В. Кривошеина, Е.А. Лазарев // Двигателестроение. – 1997.
– № 3. С. 3-4.
2. Смайлис, В.В. Малотоксичные дизели [Текст] /
В.В. Смайлис. – Л.: Машиностроение, 1981. – 128 с.
3. Звонов, В.А.
Токсичность двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. А. Звонов. – М.:
Машиностроение, 1983. – 200 с.